DE69405444T2

DE69405444T2 - Elektrofotografisches Kopiergerät mit berührungsloser Entwicklung

Info

Publication number: DE69405444T2
Application number: DE69405444T
Authority: DE
Inventors: Thomas J Behe; Iii Daniel R Gilmore
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2014-04-19
Also published as: US5322970A; EP0621516B1; EP0621516A1; JPH06348137A; JP3517793B2; DE69405444D1; BR9401576A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrophotographischen Drucker mit berührungsloser Entwicklung.
US-A-3,950,089 beschreibt ein Entwicklergerät, bei dem eine Qberfläche für die direkte übertragung elektrisch leitenden Toners eine dielektrische Umhüllung mit einer Dicke von 1-25 mm und einem Widerstand von 10&sup7; bis 10&sup9; Ohm-cm aufweist.
US-A-4,034,709 beschreibt ein Entwicklergerät, bei dem eine Oberfläche für die direkte Übertragung von Toner ein Styrol- Butadien mit einem Widerstand von 10² bis 10&sup6; Ohm-cm aufweist.
US-A-4,774,541 beschreibt ein Entwicklergerät, bei dem die Oberfläche für die direkte Übertragung des Toners mit Carbon Black bis zu einer Leitfähigkeit von 10&supmin;&sup6; bis 10&supmin;¹&sup0; 1/Ohm-cm datiert ist.
US-A-5,245,392 beschreibt ein Phenolharz, mit dem eine Donorwalze überzogen ist. Die Verwendung der phenolharzüberzogenen Walze führt zu Entladungs-Zeitkonstanten von weniger als 300 Mikrosekunden.
Beim Stand der Technik gibt es wenige Beispiele, bei denen die physikalischen Eigenschaften von Keramik für unterschiedliche Anwendungen ausgenutzt werden, die sich auf die Entwicklung von elektrostatischen Latenzbildern beziehen.
US-A-4,544,828 beschreibt eine Heizeinrichtung, die keramische Partikel als Wärmequelle benutzt und die für die Verwendung als Fixiergerät ausgelegt ist.
US-A-4,893, 151 beschreibt ein Einzelkomponenten-Bildentwicklungsgerät, enthaltend eine Entwicklerwalze, die mit einer chemischen Aufdampfungskeramik überzogen ist und eine lastische Klinge, die mit Keramik überzogen ist, jedoch nicht in einem System mit berührungsloser Entwicklung.
US-A-5,043,768 beschreibt eine durch Drehung lösbare Flüssigkeitsauftragvorrichtung für eine Fixierung mit einem porösen, keramischen Außenmaterial.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Donorwalze in Übereinstimmung mit dem anhängenden Anspruch 1 angegeben. Die vorliegende Erfindung gibt zudem einen elektrophotographischen Drucker in Übereinstimmung mit den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 an.
Es wird ein Gerät für die Entwicklung eines elektrostatischen Latenzbildes angegeben. Ein Gehäuse bildet eine Kammer aus, um einen Vorrat von Tonerpartikel darin zu speichern. Eine Donorwalze mit einem keramischen Außenüberzug ist zumindest teilweise in der Kammer des Gehäuses angebracht, um die Tonerpartikel zum Latenzbild zu bringen. Ein Elektrodenelement ist im Zwischenraum zwischen dem Latenzbild und der Donorwalze, dicht am keramischen Überzug der Donorwalze angeordnet und elektrisch vorgespannt, um von dieser Tonerpartikel abzulösen, um eine Tonerpulverwolke im Zwischenraum zwischen dem Elektrodenelement und dem Latenzbild zu bilden, wobei die abgelösten Tonerpartikel aus der Tonerwolke das Latenzbild entwickeln.
Es wird ein elektrophotographischer Drucker angegeben, bei dem das elektrostatische Latenzbild auf einem photoleitfähigen Material aufgezeichnet wird und eine Entwicklereinheit dazu eingerichtet ist, die Latenzbilder mit Entwicklermaterial zu entwickeln. Die verbesserte Entwicklereinheit enthält ein Gehäuse, das eine Kammer abgrenzt, um einen Vorrat Tonermaterial darin zu speichern. Die Entwicklereinheit enthält zudem eine Donorwalze mit einem keramischen Außenüberzug mit einer Dicke im Bereich von 0,17 bis 3,18 mm. Die Donorwalze ist zumindest teilweise in der Kammer des Gehäuses angebracht und dazu eingerichtet, das Entwicklermaterial zum Latenzbild zu transportieren.
Ein Elektrodenbauteil ist im Zwischenraum zwischen dem Latenzbild und dem keramischen Außenüberzug der Donorwalze angeordnet. Das Elektrodenelement befindet sich nahe bei der Donorwalze und ist elektrisch vorgespannt, um Entwicklermaterial vom keramischen Außenüberzug der Donorwalze abzulösen, um so eine Pulverwolke aus Entwicklermaterial im Zwischenraum zwischen dem Elektrodenelement und dem Latenzbild zu bilden, wobei das abgelöste Entwicklermaterial aus der Entwicklermaterialwolke das Latenzbild entwickelt.
Es wird weiterhin ein elektrophotographischer Drucker angegeben, bei dem ein elektrostatisches Latenzbild auf einem photoleitfähigen Element aufgezeichnet wird und eine Zweikomponenten-Entwicklereinheit dazu eingerichtet ist, das Latenzbild mit dem Entwicklermaterial zu entwickeln. Die verbesserte Entwicklereinheit enthält ein Gehäuse, das eine Kammer abgrenzt, um einen Vorrat eines Trägergranulates zu speichern, das Tonerpartikel besitzt, die durch Reibungselektrizität daran haften. Die verbesserte Entwicklereinheit enthält zudem eine Transportwalze, die in der Kammer des Gehäuses angebracht ist, um das Trägergranulat und die Tonerpartikel von dieser wegzutransportieren. Die verbesserte Entwicklereinheit enthält weiterhin eine Donorwalze mit einem keramischen Außenüberzug. Die Donorwalze ist zumindest teilweise in der Kammer des Gehäuses, benachbart zur Transportwalze angebracht, um aus diesem Tonerpartikel aufzunehmen, und dazu eingerichtet, Tonerpartikel zum Latenzbild zu transportieren. Ein Elektrodenelement befindet sich im Zwischenraum zwischen dem Latenzbild und dem keramischen Außenüberzug der Donorwalze. Das Elektrodenelement ist dicht am keramischen Außenüberzug der Donorwalze angeordnet und elektrisch vorgespannt, um Tonerpartikel von der Donorwalze abzulösen, um so eine Tonerpulverwolke im Zwischenraum zwischen dem Elektrodenelement und dem Latenzbild zu bilden, wobei die abgelösten Tonerpartikel aus der Tonerwolke das Latenzbild entwickeln.
Die vorliegende Erfindung wird mit einem Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung weiter beschrieben, die eine Seitenansicht einer Entwicklereinheit darstellt, bei der ein Zweikomponenten-Entwicklermaterial verwendet wird, wodurch die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung erfüllt werden;
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Entwicklersystem 38 detailliert dargestellt. Das Gehäuse 44 grenzt eine Kammer ab, um darin einen Vorrat eines Entwicklermaterials 47 zu speichern. Das Entwicklermaterial enthält ein Trägergranulat mit Tonerpartikeln, die durch Reibungselektrizität daran haften. An der Unterseite des Gehäuses 44 befindet sich eine horizontale Schneckenwelle 45, die das Entwicklermaterial gleichmäßig entlang der Länge der Transportwalze 46 in der Kammer des Gehäuses 44 verteilt.
Die Transportwalze 46 enthält einen stationären Mehrpolmagnet 48 mit einer ihn dicht umgebenden Ummantelung 50 aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise Aluminium, die so ausgebildet ist, daß sie sich um den Magnetkern 48 in der Richtung dreht, die mit einem Pfeil gekennzeichnet ist. Da das Entwicklermaterial ein magnetisches Trägergranulat enthält, besteht die Wirkung der Ummantelung, die sich durch stehende Magnetfelder dreht, darin, zu bewirken, daß das Entwicklermaterial vom Äußeren der Ummantelung angezogen wird. Eine Abstreifklinge 62 begrenzt die Menge des Entwicklers, die an der Ummantelung 50 haftet, während diese sich zur Ladungszone, zur Berührungsstelle 68 zwischen der Transportwalze 46 und der Donorwalze 40 dreht. Die Donorwalze wird mit einer Gleichstromquelle 76 auf einer bestimmten Spannung gehalten, um eine Schicht von Tonerpartikeln von der Transportwalze 46 auf die Donorwalze 40 in der Ladungszone zu ziehen. Entweder besteht die ganze Donorwalze 40 oder wenigstens die äußere Schicht derselben vorzugsweise aus einem Material, das eine niedrige elektrische Leitfähigkeit hat, wie es im folgenden im Detail beschrieben wird. Das Material muß ausreichend leitfähig sein, um zu verhindern, daß sich im Laufe der Zeit eine elektrische Ladung aufbaut, und dennoch muß seine Leitfähigkeit ausreichend niedrig sein, um eine Blockierschicht auszubilden, um einen Kurzschluß oder einen Elektrodenüberschlag von der magnetischen Bürste zur Donorwalze zu verhindem
Die Transportwalze 46 wird sowohl mit einer Gleichspannungsquelle 78 und einer Wechselspannungsquelle 80 vorgespannt Die Wirkung des elektrischen Gleichfeldes besteht darin, die Anziehung des Entwicklermaterials zur Ummantelung 50 zu verstärken. Es wird angenommen, daß die Wirkung des elektrischen Gleichfeldes, das entlang der Transportwalze an der Berührungsstelle 68 aufgebaut wird, darin besteht, die Tonerpartikel von ihrer adhäsiven und reibungselektrischen Bindungen an die Trägerpartikel zu lösen. Die Wechselspannungsquelle 80 kann entweder an die Transportwalze, wie in Fig. 1 gezeigt, oder direkt in Reihe mit der Quelle 76 an die Donorwalze angeschlossen sein.
Es hat sich gezeigt, daß ein Wert von bis zu 200 Vrms als Abgabespannung der Quelle 80 als gewünschte Größe für die zu erreichende Wiederaufladungswirkung der Tonerpartikel ausreicht. Der tatsächliche Wert kann empirisch eingestellt werden: theoretisch könnte er irgend ein Wert bis zu etwa 400 Vrmin sein. Die Quelle sollte eine Frequenz von etwa 2 kHz haben. Wenn die Frequenz zu niedrig ist, d.h., weniger als 200 Hz ist, dann erscheinen Streifen auf den Kopien. Wenn die Frequenz zu hoch ist, z.B. mehr als 15 kHz dann würde das System wahrscheinlich arbeiten, die Elektronik würde aber teuer, wegen der kapazitiven Ladungsverluste.
Elektrodendrähte 41 sind im Zwischenraum zwischen Riemen 10 und der Donorwalze 40 angeordnet. Ein Paar Elektrodendrähte sind als sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Donorwalze 40 erstreckend dargestellt. Die Elektrodendrähte bestehen aus einem oder mehreren dünnen (d.h.50-100 µm dikken) Edelstahldrähten, die der Donorwalze 40 dicht benachbart sind. Der Abstand zwischen den Drähten beträgt etwa 25 µm oder entspricht der Dicke der Tonerschicht, die auf der Donorwalze 40 gebildet wird. Der Abstand der Drähte von der Donorwalze stellt sich durch die Dicke des Toners auf der Donorwalze von selbst ein. Zu diesem Zweck halten die Enden der Drähte, die von den Oberseiten der Endlagerblöcke gehalten werden auch die Donorwalze drehbar. Die Drahtenden sind derart festgelegt, daß sie sich leicht unterhalb einer Tangente an die Oberfläche, die Tonerschicht eingeschlossen, der Donorkonstruktion befinden. Die Montage der Drähte in dieser Art macht sie aufgrund der automatischen Abstandshaltung unempfindlich gegen das Auslaufen der Walze. Eine elektrische Wechselsvorspannung wird von einer (nicht gezeigten) Wechselspannungsquelle an die Drähte angelegt. Die angelegte Wechselspannung erzeugt ein elektrostatisches Wechselfeld zwischen den Drähten und der Donorwalze, das den Toner von der Oberfläche der Donorwalze ablöst und eine Tonerwolke um die Drähte erzeugt, deren Höhe derart ist, daß sie mit dem Riemen 10 nicht wesentlich in Berührung gelangt.
In der Entwicklerzone, d.h. im Bereich, wo der photoleitfähige Riemen 10 am engsten zur Donorwalze 40 vorbeiläuft, liegt ein stationärer Schuh 82 an der Innenseite des Riemens an. Die Position des Schuhs relativ zur Donorwalze bestimmt den Abstand zwischen der Donorwalze und dem Riemen. Die Position des Schuhs ist einstellbar, und er wird derart positioniert, daß der Abstand zwischen der Donorwalze und dem Riemen vorzugsweise etwa 0,4 mm beträgt. Ein weiterer Faktor, der sich als wichtig herausgestellt hat, ist die Geschwindigkeit, mit der die Ummantelung 50 relativ zu Drehgeschwindigkeit zur Donorwalze 40 gedreht wird. In der Praxis würden beide vom selben Motor angetrieben, ein Getriebe würde im Antriebssystem enthalten sein, so daß die Ummantelung 50 mit einer beachtlich größeren Geschwindigkeit angetrieben wird als die Donorwalze 40. Ein Transport/Donorwalzen-Geschwindigkeitsverhältnis von 3:1 hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, und selbst höhere Relativgeschwindigkeiten können bei manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Geschwindikeitsverhältnis so niedrig wie 2:1 sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und bezugnehmend auf Fig. 1 befindet sich auf der Außenseite der Donorwalze ein keramischer Überzug 42. Ein keramischer Überzug ist eine nichtmetallische, anorganische Verbindung, die normalerweise aus einer unverschnittenen Oxidkeramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zinkonoxid, Thoriumoxid, Berylliumoxid, Magnesia, Spinell, Siliziumoxid, Titanoxid und Forsterit besteht, die als Film auf ein Metallsubstrat aufgebracht sein kann. Keramiken, die wenigstens eines der Elemente Aluminium (Al), Bor (B) , Kohlenstoff (C), Germanium (Ge), Silizium (Si), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Magnesium (Mg), Berylhum (Be) und Wolfram (W) enthalten, sind besonders hart, hoch abriebsfest, haben hohen elektrischen Widerstand, hohe Durchschlagsfestigkeit, niedrige dielektrische Verluste und eine hohe Dielektrizitätskonstante und sind deshalb für die Donorwalzenbeschichtung bevorzugt.
Wenn diese äußere Walze aus Keramik verwendet wird, dann ist beabsichtigt, daß der Kern der Donorwalze 40 aus einem konventionellen, leitfähigen Material, wie beispielsweise Aluminium, besteht. Die keramische Umhüllung wird vorzugsweise durch Plasmasprühen auf den Kern der Donorwalze 40 aufgebracht, wobei die Materialeigenschaften und Dicken so gewählt sind, daß man eine vorbestimmte Leitfähigkeit erhält, und falls notwendig wird sie mittels wohlbekannter Techniken so abgeschliffen, daß die gewünschten genauen Abmessungen für eine spezielle Entwicklungsvorrichtung erreicht werden.
Die Wanddicken der keramischen Umhüllung liegen zwischen 0,17 und 3,18 mm auf einer Donorwalze 40 eines Gesamtaußendurchmessers von etwa 25 mm; diese Dicke stellt einen Kompromiß zwischen den Kosten des keramischen Materials und den Schleifkosten dar. Es hat sich erwiesen, daß die keramische Umhüllung besonders für die Gestaltungsparameter einer Donorwalze bei berührungsloser Belichtung geeignet ist, entweder bei der Ausführungsform mit magnetischer Bürste oder mit Einzelkomponente. Weil die keramische Umhüllung mit relativ dikken Wänden hergestellt werden kann, kann die Dicke der Wände ausgenutzt werden, um sicherzustellen, daß Oberflächenanomalien, wie Krater oder kleine Löcher, minimiert werden. Die 1 Verwendung eines Plasmasprühverfahrens zur Aufbringung der keramischen Umhüllung führt zu einer gleichförmigeren Umfangsgeometrie, als man sie mit einer Phenolharzumhüllung erreicht. Auf diese Weise kann das Schleifen im Anschluß an die Plasmabeschichtung häufig beseitigt werden. Und, nochmals weil die keramische Umhüllung relativ einfach zu bearbeiten ist, kann man einen solchen Zylinder, falls notwendig, in geringem Umfang abschleifen, um präzise Abmessungen sicherzustellen.
Die Verwendung von keramik-beschichteten Donorwalzen führt zu Entladungszeitkonstanten, die grob von etwa 600 Mikrosekunden bis leicht weniger als 60 Mikrosekunden reichen. Entladungszeiten so gering wie 60 Mikrosekunden vermindern in großem Umfang die Entladungszeit und verbessern die Kopiergeschwindigkeit gegenüber vergleichbaren Systemen mit eloxierten Aluminumdonorwalzen.
Die keramische Umhüllung hat sich als ausreichend harte Substanz erwiesen, die keine merklichen Abriebprobleme gezeigt haben, wenn man sie über längere Zeit in Bewegungskontakt mit einer Magnetbürste gebracht hat. Viele geeignete Keramikzusammensetzungen haben Härten von mehr als 60 Rockwell "C", und sind sehr viel härter als Phenolumhüllungen. Die Verwendung härterer Keramikmaterialien führt daher zu weniger Kratzern und zu entsprechenden Verbesserungen der Kopienqualität.

Claims

1. Elektrophotographisches Druckegerät, bei dem ein elektrostatisches Latenzbild auf einem photoleitfähigen Element aufgezeichnet wird und eine Entwicklereinheit dazu eingerichtet ist, das Latenzbild mit Tonerpartikeln zu entwickeln, wobei die Entwicklereinheit enthält:

ein Gehäuse (44) das eine Kammer abgrenzt, um darin einen Vorrat von Tonerpartikeln (47) zu speichern;

eine Donorwalze (40) mit einem keramischen Außenüberzug (42) wobei diese Donorwalze (40) zumindest teilweise in der Kammer des Gehäuses angebracht und dazu eingerichtet ist, die Tonerpartikel zum Latenzbild zu transportieren, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät enthält:

ein Elektrodenelement (41), das sich im Zwischenraum zwischen dem Latenzbild und dem keramischen Außenüberzug (42) der Donorwalze (40) befindet, wobei das Elektrodenelement (41) dicht an dem keramischen Außenüberzug (42) der Donorwalze (40) angeordnet und elektrisch vorgespannt ist, um Tonerpartikel von dem keramischen Außenüberzug (42) der Donorwalze (40) abzulösen, so daß eine Tonerpulverwolke im Zwischenraum zwischen dem Elektrodenelement (41) und dem Latenzbild erzeugt wird, wobei die abgelösten Tonerpartikel aus der Tonerwolke das Latenzbild entwickeln und der keramische Außenüberzug der Donorwalze (40) eine Entladungszeitkonstante hat, die ausreicht, um die Tonerwolke zu erzeugen.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der keramische Außenüberzug (42) eine Dicke im Bereich von 0,17 bis etwa 3,18 mm hat.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der keramische Außenüberzug (42) der Donorwalze (40) eine Entladungszeitkonstante von weniger als 600 Mikrosekunden hat.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der keramische Außenüberzug (42) der Donorwalze eine Leitfähigkeit von mehr als 10&supmin;&sup8;(Ohm-cm)&supmin;¹ hat.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Elektrodenelement (41) mehrere Drähte enthält, die voneinander Abstand haben.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das weiterhin enthält: eine Transportwalze (46), die in der Kammer des Gehäuses (44) angebracht ist und sich benachbart zum keramischen Außenüberzug (42) der Donorwalze (40) befindet, wobei die Transportwalze (46) dazu eingerichtet ist, Tonerpartikel zum keramischen Außenüberzug (42) der Donorwalze (40) zu transportieren.

7. Gerät nach Anspruch 6, das weiterhin eine Einrichtung enthält, die dazu bestimmt ist, ein elektrisches Wechselfeld zwischen der Donorwalze (40) und der Transportwalze (46) aufzubauen, um die Übertragung zumindest eines Teils der Tonerpartikel von der Transportwalze zum keramischen Außenüberzug der Donorwalze zu unterstützen.

8. Gerät nach Anspruch 7, bei dem diese Aufbauemrichtung ein elektrisches Feld aufbaut, das mit einer vorbestimmten Frequenz zwischen 200 Hz und etwa 20 kHz bei einer Spannung von weniger als 400 Vrms wechselt.