DE69329203T2

DE69329203T2 - Aufladerolle mit einer aus einer keramikmischung bestehenden schicht

Info

Publication number: DE69329203T2
Application number: DE69329203T
Authority: DE
Inventors: E. Hyllberg
Original assignee: American Roller Co
Current assignee: American Roller Co
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2013-06-03
Also published as: ES2148233T3; KR950703758A; KR100319722B1; EP0667967B1; US5707326A; DE69329203D1; JP2003162131A; JPH08506188A; WO1994011791A1; EP0667967A1; JP3425950B2; US5600414A; CA2146339A1; MX9306961A; CA2146339C; JP3426227B2

Description

Technischer Bereich

Die Erfindung betrifft Aufladerollen als Hilfsmittel zum Aufladen von Toner in Maschinen und ein Verfahren zum Herstellen solcher Rollen.

Stand der Technik

Bei einem xerographischen Kopiergerät wird elektrische Ladung auf eine Photorezeptortrommel (PRD, photoreceptor drum) aufgebracht. Ein zu kopierendes Bild wird mit einer starken Lichtquelle gescannt und dann auf die Photorezeptortrommel reflektiert. Das Licht dissipiert die Ladung auf die PRD, wo kein reflektiertes Bild ist. Das reflektierte Bild, das nun in Form von Ladungsmustern auf der PRD vorhanden ist, zieht Tonerpartikel an. Der Toner ist typischerweise ein Russpigment mit einem thermoplastischen Bindemittel. Die Tonerpartikel werden auf ein Substrat (Papier) übertragen und unter Verwendung von Wärme und Druck daran gebunden, um die fertige Kopie auszubilden. In einem anderen System kann die Ladung zuerst auf das Substrat übertragen werden, so daß der Toner auf das Substrat angezogen wird, statt auf die PRD.
In Abhängigkeit von der Technologie des Kopiersystems, können sowohl die elektrische Ladung wie der Toner durch verschiedene Mittel auf die richtige Stelle abgegeben werden. Elektrische Ladung kann durch einen Corona-Ladungsdraht oder durch eine Ladungsübertragungsrolle auf die PRD aufgebracht werden.
Wenn die Ladung mit einer Rolle aufgebracht wird, sind die Aufladungs-, Entladungs- und Kondensatoreigenschaften der Rollenoberfläche wichtige Faktoren beim Betrieb des Systems. Die Oberfläche der Ladungsübertragungsrolle ist auf die ge eignete Spannung geladen. Ladung wird auf die PRD übertragen. Dann wird die Oberfläche der Ladungsübertragungsrolle für den nächsten Durchgang wieder aufgeladen. Vor der Wiederaufladung kann sie entladen werden, um eine gleichmäßige Oberfläche und einen Startpunkt für den nächsten Ladungsdurchgang zu erzeugen.
Ladungsübertragungsrollen sind typischerweise mit einer Schicht aus Halbleitermaterial beschichtet oder überzogen. Beschichtungsmaterialien können Gummi, thermoplastische oder duroplastische Verbindungen mit Russ oder anderen Additiven mit geringem Widerstand umfassen und anodisiertes Aluminium mit speziellen Einlassmitteln, um geeignete elektrische Eigenschaften zu ergeben.
Die Oberflächenschicht der Ladungsübertragungsrolle weist sowohl Durchgangswiderstandseigenschaften wie Kapazitätseigenschaften auf. Zum Aufladen und Entladen der Ladungsübertragungsrollenoberfläche funktioniert die Oberflächenschicht elektrisch als Widerstandskapazitätsserienschaltung (RC), ein Widerstand und ein Kondensator in Serie. Die Schicht weist daher eine Zeitkonstante auf, die eine Funktion des Produkts des Widerstands und der Kapazität ist (R*C). Für eine Rollenoberflächenschicht kann dies in Sekunden pro Flächeneinheit ausgedrückt werden (z. B. Mikrosekunden pro Quadratmillimeter oder Sekunden pro Quadratzoll).
Die Zeitkonstante bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Oberflächenschicht unabhängig von der aufgebrachten Ladung aufgeladen und entladen werden kann (wenn nicht der Widerstand oder die Kapazität von der Spannung abhängig sind). RC-Serienschaltungen laden und entladen gemäß einer bestimmten bekannten Exponentialfunktion der Zeit. Wenn die Zeit t = RC ist, hat sich die Ladung auf 1/e seines Endwertes erhöht, wo der numerische Wert von e 2,718 beträgt. Es ist eine Zeitkonstante erforderlich, um den Kondensator in der Serienschaltung auf 63,2% der aufgebrachten Spannung zu laden und drei Zeitkonstanten, um ungefähr 95% zu laden. Die Zeitkonstante der Oberflächenschicht bestimmt die maximale Geschwindigkeit (Kopien pro Minute), bei der die Ladungsübertragungsrolle im System effektiv funktionieren kann.
Außer der Zeitkonstante der Oberflächenschicht muß die Oberflächenschicht auch ausreichende dielektrische Festigkeit aufweisen, um der aufgebrachten Spannung zu widerstehen, ohne durch die Schicht zum Kern der Ladungsübertragungsrolle durchzuschlagen (die entweder geerdet oder in einer festen Vorspannung gehalten ist).
Wenn Toner auf die Ladungsübertragungsrolle aufgebracht wird oder mit ihr in Kontakt kommt, kann eine Rakel (oder ein anderer Reinigungsmechanismus) vorhanden sein, der einen Abrieb oder Verschleiß der Oberfläche der Ladungsübertragungsrolle bewirkt, wodurch sich ihre Eigenschaften verändern. Daher ist eine sehr abriebfeste Beschichtung der Oberfläche der Ladungsübertragungsrolle höchst vorteilhaft, um die Lebensdauer der Ladungsübertragungsrolle zu verlängern.
Da die Ladungsübertragungsrolle eine gleichmäßige Oberflächenladung übertragen muß, können enge Abmessungstoleranzen im Durchmesser, Planlauf und Verjüngung der Rollenoberfläche vorhanden sein sowie eine spezifizierte und gleichmäßige Oberflächenrauhigkeit.
Eines der gewöhnlichen Materialien für die Rollenoberflächenschicht ist ein speziell versiegeltes, anodisiertes Aluminium. Dieses Material weist die folgenden Nachteile auf:
1) Die Dicke einer elektrischen anodisierten Oberflächenschicht hoher Qualität ist auf ungefähr 50 bis 75 um vor Vergütungsschritten begrenzt, wodurch die dielektrische Festigkeit begrenzt ist.
2) Anodisierte Schichten sind äußerst porös und anfällig für dielektrisches Versagen durch feine Löcher im Material. Obwohl die Schicht primär Aluminiumoxid ist, begrenzt die Porosität die Kompressionsfestigkeit der Beschichtung und ihre Verschleißfestigkeit.
3) Damit eine anodisierte Oberflächenschicht hoher Qualität ausgebildet werden kann, muß eine Aluminiumlegierung hoher Qualität für den Kernkörper der Ladungsübertragungsrolle verwendet werden. Ebenso muß der Kernkörper auf enge Abmessungstoleranzen hin endbearbeitet werden (gegebenenfalls durch Diamantbearbeitung), bevor das Anodisierungsverfahren durchgeführt wird, um eine Schicht gleichmäßiger Abmessungen und elektrischer Eigenschaften zu erzeugen. Trotzdem können die Dicke der anodisierten Beschichtung und ihre Eigenschaften bedingt durch Ungleichmäßigkeiten im Anodisierungsbad und - system schwanken.
4) Die Zeitkonstante der Schicht kann um plus oder minus eine Größenordnung schwanken (1/10 bis 10x).
Gummi- und Duroplastoberflächenschichten weisen die folgenden Nachteile auf:
1) Beeinflussung elektrischer Eigenschaften durch die Verwendung von Additiven ist sehr schwierig. Der elektrische Widerstand der Schicht kann leicht um einen Fakter von 100 schwanken. Große Schwankungen in einer einzigen Rolle sind auch möglich.
2) Die Verschleißfestigkeit ist im Vergleich zu anodisiertem Aluminium gering (besonders bei Gummi).
3) Organische Polymere altern unter Einfluß von Wärme, Chemikalien und Sauerstoff. Dies verändert und beeinträchtigt ihre physikalischen und elektrischen Eigenschaften mit der Zeit.
4) Die elektrischen Additive können selbst verdampfen, auslaugen, ausbluten oder sich verändern (wie der Abbau von Russ).
5) Das Verfahren zum Aufbringen von Material auf den Metallkern (Formen, Extrusion usw.) kann Porositäten erzeugen und Ungleichmäßigkeiten in der Beschichtung, die das Verhalten beeinflussen.
Rothacker, US-Patent Nr. 3,778,690 offenbart ein elektrostatisches Kopiergerät, bei dem eine Ladungsübertragungsrolle geringer Kapazität eine dielektrische Gummiummantelung über einem Metallkern angeordnet aufweist, um schnelle Wechsel in Spannung und Strom im Ladungsbereich zu ermöglichen.
Granzow, US-Patent Nr. 3,521,126 offenbart eine Ladungsübertragungsrolle mit einer Schicht aus Cermetmaterial, in dem Partikel eines Metalloxides in einem isolierenden Keramikmaterial dispergiert sind, um der Keramikschicht Halbleitereigenschaften zu verleihen. Solche Partikel können jedoch in ungleichmäßiger und ungeregelter Weise dispergiert sein.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Aufladerolle mit einer plasmagespritzten Keramikschicht mit besseren und steuerbaren elektrischen Eigenschaften. Dieses Ziel wird erreicht durch eine Aufladerolle gemäß Anspruch 1.
Die Oberflächenschicht ist eine Mischung aus mindestens zwei Keramikmaterialien, eines davon ist ein elektrischer Isolator und das andere ein Halbleiter.
Die Aufladerolle umfaßt einen zylindrischen Rollenkern und eine Keramikschicht, die mit dem zylindrischen Rollenkern verbunden ist. Die Keramikschicht ist als eine Mischung aus einem isolierenden Keramikmaterial und einem Halbleiterkeramikmaterial gebildet, bei der das Mischungsverhältnis so ausgewählt ist, daß es eine RC-Schaltkreiszeitkonstante bestimmt, die mit elektrischer Empfindlichkeit der Keramikschicht auf ein aufgebrachtes Spannungsdifferential in Bezug steht.
Viele Ausführungsformen umfassen auch eine Versiegelungsbeschichtung, die in die Keramikschicht eindringt und sie schützt gegen Kontamination mit Feuchtigkeit, wobei die Versiegelungsbeschichtung auch so ausgewählt ist, daß sie eine resultierende RC-Schaltungszeitkonstante bestimmt, die mit einer elektrischen Empfindlichkeit der versiegelten Keramikschicht auf das aufgebrachte Spannungsdifferential in Bezug steht. Die Versiegelungsbeschichtung ist typischerweise zu 100% aus festem organischem Material.
Die Isolations- und Halbleiterkeramikmaterialien sind in einem Verhältnis gemischt, das so ausgewählt ist, daß ein Zielwert einer RC-Schaltungszeitkonstante erzeugt wird. Ein spezifisches Isoliermaterial kann entweder Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid sein, das durch Plasma- oder thermisches Spritzen aufgebracht ist, und ein spezifisches Keramikmaterial mit Halbleitereigenschaften kann entweder Titandioxid oder Chrom oxid sein, das durch Plasma oder thermisches Spritzen aufgebracht ist.
In einer detailierteren Ausführungsform der Erfindung ist die Keramikschicht durch Plasmaspritzen einer Mischung eines ersten Keramikmaterials unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem ersten Verhältnis und eines zweiten Keramikmaterials unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem zweiten Verhältnis gebildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Aufladerolle gemäß Anspruch 12. Ein spezifisches Verfahren umfaßt die Schritte: Plasmaspritzen einer Mischung eines isolierenden Keramikmaterials und eines Halbleiterkeramikmaterials, um eine Keramikschicht mit einer ausgewählten RC-Schaltungszeitkonstante auszubilden, und Versiegeln der Keramikschicht mit einer Versiegelungsbeschichtung, die ausgewählt ist, so daß sie eine resultierende RC-Schaltungszeitkonstante der versiegelten Keramikschicht bestimmt.
Andere Ziele und Vorteile, neben den oben diskutierten werden den Fachleuten aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ersichtlich. In der Beschreibung wird Bezug genommen zu den begleitenden Zeichnungen, die ein Teil der Beschreibung sind, und die Beispiele der Erfindung erläutern. Solche Beispiele sind jedoch nicht erschöpfend für die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung und daher wird auf die Ansprüche Bezug genommen, die der Beschreibung folgen, um den Rahmen der Erfindung zu bestimmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine Perspektivansicht einer Rolle der vorliegenden Erfindung dar, wobei Teile entfernt sind,
Fig. 2 stellt eine Längsschnittansicht eines Teils der Rolle von Fig. 1 dar, und
Fig. 3 stellt eine fragmentarische Detailansicht eines Teils der Rolle von Fig. 2 dar.
Fig. 4 stellt eine fragmentarische Detailansicht der Rolle von Fig. 3 dar, nachdem eine Versiegelungsbeschichtung aufgebracht ist, und
Fig. 5 stellt eine schematische Ansicht der Rolle der Erfindung in einem xerographischen Kopiergerät dar.

Beste Ausführung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist die Erfindung ausgeführt in einer Aufladerolle 10, manchmal auch als Ladungsgeberrolle bezeichnet, und einem Verfahren zur Herstellung derselben. Fig. 5 zeigt eine solche Rolle 10 in einem xerographischen Kopiergerät 20, wo elektrische Ladung auf eine Photorezeptortrommel 11 (PRD, photoreceptor drum) aufgebracht wird. Toner wird durch eine Toneraufnehmerrolle 12 zugeführt. Eine Gleichstromvorspannung +VDC wird auf den Kern der Rolle 10 aufgebracht und eine Wechselspannung (± ACV) wird auf einen Spalt 13 zwischen Ladungsgeberrolle 10 und PRD 11 aufgebracht. In diesem Spalt 13 wird der Toner aufgeladen und dann gemäß dem zu kopierenden Bildmuster auf Teile der PRD 11 angezogen. Die Wechselspannung weist eine relativ höhere Frequenz als 60 Hz auf und die Wechselspannung (± ACV) ist derart, daß ein Spannungsdifferential (V) über die Schichten 15 und 16 vorgesehen ist, wie es in Fig. 2 zu sehen ist.
Wie in den Fig. 1 bis 4 zu sehen ist, weist eine bevorzugte Ausführungsform der Aufladerolle 10 einen Kern 14 auf und eine Bindeschicht 15 von 25 bis 75 um (1 bis 3 mil) Dicke (1 mil = 0,001 Zoll) über die ganze Außenfläche des Kerns 14. Das Kernmaterial in der bevorzugten Ausführungsform ist Aluminium, aber rostfreier Stahl, Messing, einige Stähle, Glas oder ein faserverstärkter Verbundstoff kann auch verwendet werden.
Eine Keramikschicht 16 von 150 bis 250 um (6 bis 10 mil) Dicke ist über die ganze Außenfläche der Bindeschicht 15 aufgebracht. Eine Versiegelungsschicht 17 ist aufgebracht, so daß sie in die Oberfläche der Keramikschicht eindringt wie es in Fig. 4 zu sehen ist.
Die Aufladerolle 10 wird wie folgt hergestellt:
Schritt 1. Oberfläche 18 des Kerns 14 wird sandgestrahlt, um sie zu reinigen und auf ungefähr 5 bis 7,5 um (200 bis 300 Mikrozoll) Ra aufzurauhen.
Schritt 2. Aufbringen einer Bindeschicht 15 von 25 bis 125 um (1 mil bis 5 mil) Dicke auf ein Nickel-Aluminidmaterial durch Plasma- oder thermisches Spritzen mit einer Oberflächenvergütung von 7,5 bis 10 Mikrometern (300 bis 400 Mikrozoll) Ra wie Metco 450 oder 480. Dieser Schritt ist optional, verbessert aber die Bindefestigkeit der Keramik 16 an den Kern 14.
Schritt 3. Aufbringen einer Keramikschicht 16 von 250 bis 375 Mikrometern (10 bis 15 mil) Dicke unter Verwendung einer Mischung von Aluminiumoxid und Titanoxid und Plasmaspritztechniken und -ausrüstung.
Dieser Schritt wird ferner durch Aufspritzen dünner gleichmäßiger Unterschichten ausgeführt, um eine gewünschte Dicke der Keramikschicht 16 zu erreichen. Die dünnste praktische Schicht plasmagespritzter Keramik für eine elektrische Schicht mit hoher Integrität und Gleichmäßigkeit liegt bei ungefähr 125 Mikrometern (5 mil). Bei dünneren Schichten können Spitzen der Bindeschicht 15 durch die Keramikschicht 16 hervorragen. Plasmagespritzte Keramik kann auch in viel dickeren Schichten aufgebracht werden, wie bis zu 2,5 mm (100 mil).
Die Keramikschicht 16 weist eine im wesentlichen gleichmäßige, vorhersagbare dielektrische Festigkeit auf. Beispielsweise besitzt eine 250 um (10 mil) dicke Mischkeramikschicht hergestellt nach dem oben beschriebenen Verfahren eine dielektrische Festigkeit von mindestens 3000 Volt (mindestens 12 Volt pro um (300 Volt pro mil)), was gut über dem liegt, was für eine Verwendung als Aufladegeberrolle nötig ist. Die Keramikschicht 16 kann so dick ausgebildet werden wie es nötig ist, um die erforderliche dielektrische Festigkeit oder andere physikalische oder mechanische Anforderungen zu erfüllen.
Der Widerstand erhöht sich direkt proportional zur Dicke der Keramikschicht 16, aber die Kapazität der Keramikschicht 16 verringert sich direkt proportional.
Auf diese Weise verändert sich die Zeitkonstante, das Produkt von Widerstand (R) und Kapazität (C) nicht oder nur wenig mit der Keramikschichtdicke bei einem gleichmäßigen Material.
Durch Verändern des Verhältnisses von Isolationskeramik zu Halbleiterkeramik in der Mischkeramikschicht 16, kann die Zeitkonstante der Keramikschicht 16 über einem Bereich eingestellt werden, der drei Größenordnungen bei geringen Spannungen und mindestens eine Größenordnung bei hohen Spannungen (über 1000 V) abdeckt. Das Verhältnis kann auch in Bezug auf einen ausgewählten Wert für die Zeitkonstante fein abgestimmt werden.
Weil der Widerstand der Keramik etwas abnimmt, wenn die aufgebrachte Spannung zunimmt, sollten die Parameter der aufgebrachten Spannung und Strom vor dem Mischen der Keramik definiert werden, um eine Zielzeitkonstante zu erhalten.
Die Keramikmischung besteht aus mindestens einer isolierenden Keramik und einer Halbleiterkeramik. Mischungen von mehr als zwei Materialien sind möglich.
Aluminiumoxid und Zirconiumoxid sind Beispiele für Oxidkeramiken, die isolierende Keramik darstellen. Sie weisen typischerweise Durchgangswiderstände von 10¹¹ Ohm-Zentimeter oder mehr auf. Der Ausdruck "isolierendes" Material soll hier ein Material bedeuten, das einen Durchgangswiderstand von 10¹&sup0; Ohm-Zentimeter oder mehr aufweist. Der Ausdruck "Halbleitermaterial" soll hier ein Material bedeuten mit einem Durchgangswiderstand zwischen 10³ Ohm-Zentimeter und 1010 Ohm- Zentimeter. Titandioxid (TiO&sub2;) und Chromoxid sind Beispiele für Halbleiterkeramik oder Keramik mit geringerem Widerstand. Diese Keramiken weisen Durchgangswiderstände typischerweise von 10&sup8; Ohm-Zentimeter oder weniger auf. Es gibt viele andere Beispiele für Materialien in beiden Kategorien, die im Handel erhältlich sind. Diese Materialien mit relativ hohem oder niedrigem Widerstand können gemischt werden, um die geeignete Ausgewogenheit elektrischer Eigenschaften für eine Anwendung bei Aufladetransferrollen zu erreichen.
Es wird angemerkt, daß Plasmaspritzkeramikpulver keine reinen Materialien sind. Selbst das reinste im Handel erhältliche Aluminiumoxid ist nur 99,0% bis 99,5% rein. Viele Qualitäten von Aluminiumoxid enthalten einige Gewichtsprozent an anderen Metalloxiden. Beispielsweise können weißes oder graues Aluminiumoxid Titanoxid (Titandioxid, TiO&sub2;) in Mengen von weniger als 5% bis zu mindestens 40% enthalten. Ein zunehmender Prozentanteil an Titanoxid in der Mischung ver ringert den Widerstand des Materials und erhöht seine Kapazität (aber in geringerem Ausmaß), wodurch sich die Zeitkonstante des Materials verringert. Obwohl diese Materialien als einzelne Pulver erhältlich sind, sind sie noch Mischungen verschiedener Keramiken. Die elektrischen Eigenschaften der endgültigen Keramikschicht sind die Summe der einzelnen Beiträge zu Widerstand, Kapazität, dielektrischer Festigkeit usw. Es kann ein einziges Pulver erhältlich sein, das die elektrischen Anforderungen für die Aufladetransferrollenanwendung exakt treffen würde. Es wäre zweifellos kein reines Material.
Die bevorzugten Keramiken sind Metco 130 (87/13 Aluminiumoxid/Titanoxid) und Metco 131 (60/40 Aluminiumoxid/Titanoxid) in einer Mischung von 40/60 bis 80/20. Metco-Produkte sind von der Metco Corp. Westbury, NY erhältlich. Die elektrischen Eigenschaften der Beschichtung sind zu einem großen Teil durch das Verhältnis von Aluminiumoxid zu Titanoxid in der fertigen Beschichtung bestimmt. Diese beiden Materialien sind leicht zu mischen, da sie im selben Partikelgrößenbereich erhältlich sind und sie nahezu dieselbe Dichte aufweisen.
Die äquivalenten Pulver von der Norton Company, Worcester, MA sind 106 und 108. Sie sind chemisch gleich wie Metco 130 und 131, erreichen aber nicht dieselben elektrischen Eigenschaften. Dieselbe Mischung von Nortonpulvern ergibt einen geringeren Widerstand, eine Beschichtung höherer Kapazität und eine niedrigere Zeitkonstante.
Wahrscheinlich ist der Grund dafür, daß Aluminiumoxid und Titanoxid in den Metco-Pulvern nicht vorverschmolzen sind, was bei den Norton-Produkten der Fall ist. Die Metco-Pulver verschmelzen in der Plasmaflamme, was eine etwas andere Beschichtungszusammensetzung ergibt und ein unterschiedliches Ausmaß an Homogenität.
Für eine Titanoxid (Titandioxid) enthaltende Keramikschicht wird der Widerstand der Schicht auch von den Spritzbedingungen beeinflußt. Titanoxid kann durch die Gegenwart von Wasserstoff oder anderen Reduktionsmitteln in der Plasmaflamme teilweise auf ein Suboxid reduziert werden. Dieses Suboxid (vermutlich TiO anstelle von TiO&sub2;) ist der Halbleiter in der Keramikschicht 16. Titandioxid ist normalerweise ein dielektrisches Material. Die typische durchschnittliche chemische Zusammensetzung von Titandioxid liegt bei 1,8 Sauerstoff pro Molekül anstelle von 2,0 in einer Plasmaspritzschicht. Dieser Anteil (und damit die Schichteigenschaften) können in gewissem Maß durch Erhöhen oder Verringern des Prozentanteils an Wasserstoff in der Plasmaflamme eingestellt werden. Das normale Primärgas ist Stickstoff oder Argon, während das Sekundärgas Wasserstoff oder Helium ist. Das Sekundärgas erhöht das Ionisierungspotential der Mischung, was auf diese Weise den Leistungspegel bei einem gegebenen Elektrodenstrom erhöht. Für eine typische Metco-Plasmakanone wird die Wasserstoffmenge so eingestellt, daß die Elektrodenspannung in der Kanone zwischen 74 und 80 Volt bleibt.
Eine andere erfolgreiche Keramikmischung kann aus einer Mischung von 95% reinem Aluminiumoxid, wie Metco 101 oder Norton 110 und Chromoxid wie Metco 106 oder 136 hergestellt werden. Das Verhältnis dieser beiden Pulver liegt normalerweise im Mischungsbereich von 50/50 bis 80/20. Größere Sorgfalt ist bei diesen Pulvern erforderlich, da das Chromoxid eine höhere Dichte aufweist und dazu neigt, sich im Pulverspeiser abzutrennen.
Ungeachtet der verwendeten Pulvermischung sollten die Plamaspritzparameter in geeigneter Weise angepaßt werden, um zu gewährleisten, daß die Mischung von Materialien in der fertigen Keramikschicht 16 dieselbe ist wie vorgesehen. Nicht alle genannten Pulver erfordern dieselben Energiemengen, Spritzabstand und andere Parameter. Daher kann ein Einstellen des Spritzabstandes beispielsweise die Abscheidungseffizienz eines Pulvers gegenüber einem anderen erhöhen und die Materialmischung in der fertigen Beschichtung verändern.
Die Werte der Zeitkonstante und des Widerstands der Keramikschicht 16 sind nicht linear in Bezug auf die prozentuale Mischung der Keramiken. Im Falle von Pulvern Metco 130 und 131 erhöht sich der Widerstand linear entlang einer Steigung bis ungefähr zur Mischung 50/50 und erhöht sich dann steil entlang einer weiteren Steigung.
Plasmagespritze Keramikschichten können in einem Durchgang (Schicht) der Plasmakanone oder in mehreren Durchgängen aufgebracht werden. Das normale Verfahren für die meisten Typen von Beschichtungen ist das Auftragen mehrerer dünner Schichten von Keramik und Aufbau der erforderlichen Dicke. Obwohl die oben beschriebene Keramikschicht eine gleichmäßige Keramikzusammensetzung aufweist, müssen die Unterschichten der Keramik in der erhaltenen Schicht 16 nicht dieselbe Zusammensetzung aufweisen. Die Beschichtung kann so konstruiert sein, daß sie an der Oberfläche einen anderen Widerstand aufweist als in der durchschnittlichen Masse des Materials. Dies kann erfolgen 1) um die Art und Weise zu ändern, mit der eine Ladung an der Oberfläche der Rolle gehalten wird, ohne ihre Masseneigenschaften zu verändern oder 2) um den erhöhten Widerstand einer Deckschicht zu kompensieren.
Schritt 4. Während die Rolle noch heiß ist vom Plasma- oder thermischen Spritzen der Keramikschicht 16, wird eine Versiegelungsschicht 17 unter Verwendung eines dielektrischen organischen Materials wie Carnaubawachs oder Loctite(R) 290 Schmelzdichtungsmittel auf die Keramikschicht 16 aufgebracht. Das Dichtungsmittel wird, falls nötig, (Loctite(R) 290) mit Wärme, ultraviolettem Licht oder Sprühbeschleunigern ausgehärtet. Die Porosität der Keramik beträgt generell weniger als 5 Gewichts-% (üblicherweise in der Größenordnung von 2 %). Nach dem Versiegeln hat die Porosität einen minimalen Einfluß auf die Beschichtungseigenschaften für diese Anwendung.
Bevorzugte Typen von Materialien sind 100 prozentige Feststoffe und geringe Viskosität. Sie umfassen verschiedene Arten von Wachsen, kondensationshärtbare Siliconelastomere mit niedriger Viskosität und Epoxide, Methacrylate und andere duroplastische Harze mit niedriger Viskosität.
Flüssige Dichtungsmittel wie Siliconöl können allein verwendet werden oder Flüssigkeiten in Feststoffen wie Siliconöl in Siliconelastomer. Diese können zusätzliche Vorteile für die Aufladetransferrolle ergeben, um beispielsweise eine gewisse Trennung von Toner (Antihafteigenschaften) zu erreichen.
Das Dichtungsmittel ist im allgemeinen ein Material mit hohem Widerstand, obwohl die elektrischen Eigenschaften des Dichtungsmittels die Eigenschaften der versiegelten Keramikschichten 16, 17 insgesamt nicht beeinflussen. Beispielsweise führt Versiegeln mit Carnaubawachs zu einem höheren Widerstand der versiegelten Keramikschicht 16, 17 als Loctite(R) 290 Schmelzversiegler, weil es ein besseres dielektrisches Material ist. Es ist auch möglich, ein Halbleiterdichtungsmittel mit einer dielektrischen Keramik zu verwenden (ohne eine Halbleiterkeramik), um die gewünschten elektrischen Eigenschaften zu erzielen.
Es kann ein Dichtungsmittel mit niedrigem Widerstand verwendet werden, wie ein flüssiger oder wachsartiger fester Typ eines antistatischen Mittels, so lange die Kombination der Keramik und des Dichtungsmittels die geeigneten elektrischen Eigenschaften der fertigen Keramikschicht 16 ergibt.
Es können auch Deckschichten auf die Rolle 10 aufgebracht werden, um zusätzliche Eigenschaften und Funktionen zur Verfügung zu stellen, so lange die gewünschten elektrischen Eigenschaften erhalten bleiben können. Beispielsweise kann eine dünne Schicht eines Polytetrafluorethylenmaterials Teflon(R) (PTFE) auf die fertige Rolle aufgebracht werden (gegebenenfalls 25 um (1 mil) oder weniger dick), um der Oberfläche der Rolle 10 Trennvermögen zu verleihen oder den Reibungskoeffizienten zu verändern. Der Einfluß auf die Rolle ist minimal, wenn das PTFE sehr dünn ist oder wenn Spitzen der Keramik hindurch hervortreten können.
Schritt 5. Ein letzter Schritt ist, die versiegelte Keramikschicht 16, 17 auf die geeigneten Dimensionen und Oberflächengüte zu schleifen und zu polieren (Schleifmittel Diamant, Siliciumcarbid usw.). Nach der Endbearbeitung ist die Keramikschicht 16, 17 typischerweise 150 bis 250 um (6 bis 10 mil) dick mit einer Oberflächengüte von 0,8 bis 2,8 um (20 bis 70 Mikrozoll) Ra. In anderen Ausführungsformen kann sie dicker sein als 250 um (10 mil) und eine andere Oberflächenrauhigkeit von 0,4 bis 10 Mikrometern (10 bis 250 Mikrozoll) Ra aufweisen.
Die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Keramik verschlechtern sich nicht mit der Zeit oder durch Einwirkung von Sauerstoff, Feuchtigkeit oder Chemikalien, was zu einer langen Lebensdauer für das Produkt führt. Es wird auch eine verbesserte Temperaturbeständigkeit gegenüber anodisierten Oberflächen erwartet. Keramikoberflächen können bei 315ºC (600ºF) durchgehend arbeiten mit geringen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften.
Dies war eine Beschreibung von Beispielen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. Die Fachleute werden erkennen, daß verschiedene Details modifiziert werden können, um andere detailierte Ausführungsformen zu erhalten, und diese Ausführungsformen liegen im Rahmen der Erfindung wie sie in den Ansprüchen spezifiziert ist.

Claims

1. Aufladerolle (10) als Hilfsmittel beim Laden von Toner in einem Gerät (20), wobei die Aufladerolle (10) einen zylindrischen Rollenkern (14) umfaßt und eine Keramikschicht (16), die um den zylindrischen Rollenkern (14) angeordnet ist, wobei die Keramikschicht (16) ein isolierendes Keramikmaterial umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (16) ein Halbleiterkeramikmaterial umfaßt, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht durch Plasmaspritzen einer Mischung des isolierenden Keramikmaterials und des Halbleiterkeramikmaterials erhalten ist, um die Keramikschicht auf dem Rollenkern auszubilden, worin das isolierende Keramikmaterial und das Halbleiterkeramikmaterial in einem Verhältnis gemischt sind, daß es eine RC-Schaltungszeitkonstante bestimmt, die mit elektrischer Empfindlichkeit der Keramikschicht (16) auf ein Spannungsdifferential in Bezug steht, das zwischen dem Kern der Aufladerolle und einem Aufladebereich angrenzend an eine Außenfläche der Rolle ausgebildet ist.

2. Rolle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid umfaßt und das Halbleiterkeramikmaterial Titandioxid oder Chromoxid umfaßt.

3. Rolle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (16) mit einem Dichtungsmittel (17) versiegelt ist, das so ausgewählt ist, daß es eine ausgewählte RC-Schaltungszeitkonstante für die versiegelte Keramikschicht bestimmt.

4. Rolle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsmittel (17) ein Feststoff ist.

5. Rolle (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsmittel (17) ein Carnaubawachs ist.

6. Rolle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (16) eine Mischung aus einem ersten Keramikmaterial unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem ersten Verhältnis und einem zweiten Keramikmaterial unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem zweiten Verhältnis ist.

7. Rolle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierungsbindeschicht (15) zwischen der Keramikschicht (16) und dem Rollenkern (14) angeordnet ist, wobei die Bindeschicht (15) eine Dicke von 25 bis 125 um (0,001 bis 0,005 Zoll) insgesamt aufweist und eine Oberflächenrauhigkeit von 7,5 bis 10 um (300 bis 400 Mikrozoll) Ra aufweist.

8. Rolle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenkern (14) aus Aluminium, rostfreiem Stahl, Stahl oder Messing hergestellt ist.

9. Rolle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollenkern (14) aus Glas hergestellt ist.

10. Rolle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht verschiedene dünne gleichmäßige Unterschichten umfaßt.

11. Rolle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (16) eine Dicke im Bereich von 150 bis 250 um (0,006 bis 0,010 Zoll) insgesamt aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Aufladerolle (10) als Hilfsmittel beim Laden von Toner in einem Gerät (20), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Plasmaspritzen einer Mischung aus einem isolierenden Keramikmaterial und einem Halbleiterkeramikmaterial, um eine Keramikschicht auf einem Rollenkern (14) auszubilden, wobei die Keramikschicht (16) eine ausgewählte RC- Schaltungszeitkonstante aufweist, die mit elektrischer Empfindlichkeit der Keramikschicht auf ein Spannungsdifferential in Bezug steht, das zwischen dem Kern der Aufladerolle und einem Aufladebereich angrenzend an eine Außenfläche der Rolle ausgebildet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte umfaßt: Versiegeln der Keramikschicht (16) mit einem Dichtungsmittel (17), das so ausgewählt ist, daß eine ausgewählte RC-Schaltungszeitkonstante für die versiegelte Keramikschicht bestimmt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid als isolierendes Keramikmaterial verwendet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Titandioxid oder Chromoxid als Halbleiterkeramikmaterial verwendet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschicht (16) durch Plasmaspritzen einer Mischung aus einem ersten Keramikmaterial unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem ersten Verhältnis und einem zweiten Keramikmaterial unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem zweiten Verhältnis ausgebildet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumoxid und Titandioxid im ersten und zweiten Material vor dem Plasmaspritzen zusammengeschmolzen werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, ferner dadurch gekennzeichnet, daß: die isolierende Keramik unter Verwendung einer Mischung aus einem ersten Keramikmaterial unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem ersten Verhältnis hergestellt wird und die Halbleiterkeramik ein zweites Keramikmaterial ist, das unter Vermischen von Aluminiumoxid und Titanoxid in einem zweiten Verhältnis hergestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmaspritzschritt in einer Anzahl von Wiederholungen durchgeführt wird, um aufeinanderfolgende Unterschichten aufzutragen, die die Keramikschicht (16) ausbilden.