DE69412173T2

DE69412173T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entwicklung eines elektrostatischen Bildes mit einem Zweikomponentenentwickler

Info

Publication number: DE69412173T2
Application number: DE69412173T
Authority: DE
Inventors: Peter S. C/O Eastman Kodak Company Rochester New York 14650-2201 Alexandrovich; Joseph Edward C/O Eastman Kodak Company Rochester New York 14650-2201 Guth; Eric Carl C/O Eastman Kodak Compan Rochester New York 14650-2201 Stelter
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2014-05-07
Also published as: EP0625734A1; DE69412173D1; EP0625734B1; US5376492A

Description

Die Erfindung betrifft das Auftragen von Toner auf ein elektrostatisches Bild zur Erzeugung eines Tonerbildes im allgemeinen und eine Verbesserung der Entwicklung eines elektrostatischen Bildes durch Einsatz eines aus geladenen Tonerteilchen und mit einer entgegengesetzten Ladung versehenen hartmagnetischen Trägerteilchen bestehenden Zweikomponentenentwicklers im besonderen.
US-A-4,546,060 offenbart ein Verfahren zum Entwickeln elektrostatischer Bilder, bei dem ein Entwickler mit einem "harten" magnetischen Träger verwendet wird, der bei magnetischer Sättigung eine Koerzitivkraft von mindestens 300 Gauß hat und ein induziertes magnetisches Moment von mindestens 20 EMU/gm aufweist, wenn er sich in einem angelegten Feld von 1000 Gauß befindet (1 Gauß oder Oerstedt = A/m). Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Trägers mit einer wesentlich höheren Koerzitivkraft in der Größenordnung von 2000 Gauß mit einem höheren magnetischen Moment von etwa 55 EMU/gm wird gewerblich für die qualitativ hochwertigste elektrostatische Bildentwicklung genutzt, die es zur Zeit gibt. Bei diesem Verfahren wird ein Entwickler, der sich aus harten magnetischen Trägerteilchen dieser Art und entgegengesetzt geladenen Tonerteilchen zusammensetzt, durch schnelle Drehung eines Magnetkerns in einem Mantel, auf dem sich der Entwickler bewegt, mit derselben Geschwindigkeit und derselben Richtung wie das Bild transportiert. Raschen Polübergängen auf dem Mantel setzt der Träger infolge seiner hohen Koerzitivkraft mechanischen Widerstand entgegen. "Fäden" oder "Ketten" des Trägermaterials überschlagen sich mit hoher Geschwindigkeit so auf dem Mantel, daß sie mit dem auf dem Mantel befindlichen Toner so an dem elektrostatischen Bild vorbeigeführt werden, daß dieses entwickelt wird. Siehe auch US-A-4,473,029 und US-A-4,531,832.
Die raschen Polübergänge - bei einer Kerndrehzahl von 1500 min&supmin;¹ beispielsweise 400 pro Sekunde an der Manteloberfläche - erzeugen eine heftige Bewegung in dem Entwickler beim Passieren der Entwicklungszone. Infolge dieser heftigen Bewegung bewegt sich der Toner im stetigen Wechsel zwischen der Manteloberfläche und der Außenseite der Pulverschicht und wird auf diese Weise mit der für die Entwicklung gewünschten Ladung versehen. Gleichzeitig bewirkt diese heftige Bewegung, daß dem Bild laufend frischer Toner zugeführt wird. Das System bietet die Möglichkeit, Bilder hoher Dichte und Qualität mit hoher Geschwindigkeit zu entwickeln.
Die unmittelbare Wechselwirkung zwischen der Entwicklerschicht und dem Bildträger hat zur Folge, daß der Entwickler in Richtung der Eingangsseite der Entwicklungszone zurückgeführt wird. Diese Rückführung verbreitert den Kontakt zwischen dem Entwickler und dem Bildträger und verbessert den Entwicklungsgrad des Systems. Sie bewirkt jedoch auch eine Ablösungstendenz zwischen dem Trägermaterial und den Magnetfeldern des Kerns, mit dem Ergebnis, daß ein Teil der Trägerteilchen vom Bild selbst aufgegriffen wird. Dieser Austrag von Trägerteilchen durch das Bild ist bei Zweikomponentenentwicklungen eine bekannte Erscheinung, die mehr oder weniger bei praktisch allen Zweikomponenten-Kontaktsystemen auftritt. Unglücklicherweise haben Trägerteilchen nicht nur auf das Bild selbst, sondern auch auf den Rest des Systems eine nachteilige Wirkung. Sie weisen in der Regel für eine Übertragung die falsche Ladung auf, verhindern jedoch eine Übertragung von Tonerteilchen in ihrer Umgebung und hinterlassen dadurch weiße Flecken auf dem Bild. Wenn eine Übertragung stattfindet, lassen sich die Teilchen nicht notwendigerweise einwandfrei fixieren. Diese und andere im Zusammenhang mit dem Austrag von Trägerteilchen durch das Bild auftretenden Probleme sind in zahlreichen Veröffentlichungen dokumentiert.
Zum Entfernen von an einem Bild haftenden Trägerteilchen sind verschiedene Verfahren entwickelt worden. Dabei kann sich der Bildträger in der Entwicklungsstation befinden oder diese bereits verlassen haben. So weisen die meisten Abbildungsvorrichtungen, bei denen dieses Problem auftritt, beispielsweise entweder in der Tonungsstation oder hinter der Tonungsstation eine magnetische Abstreifvorrichtung auf, die Trägerteilchen durch magnetische Anziehung vom Bild entfernt. Ebenfalls bekannt sind Verfahren, bei denen die Trägerteilchen, die ja eine den Tonerteilchen entgegengesetzte Ladung aufweisen, durch elektrische Anziehung entfernt werden. So zeigt beispielsweise US-A-4,647,186 die Verwendung eines Leitungssatzes unmittelbar nach der Entwicklungszone, an den eine Wechselspannung mit einer Gleichstromkomponente angelegt wird, welche die Trägerteilchen, deren Ladung der Ladung der Tonerteilchen entgegengesetzt ist, anzieht.
Zur Verbesserung des Entwicklungsgrades des elektrostatischen Bildes wird in zahlreichen Vorveröffentlichungen vorgeschlagen, das elektrische Feld zwischen einer Magnetbürste und einem elektrostatischen Bild mit einer hohen Wechselstrom-Vorspannung zu überlagern. Siehe beispielsweise US-A-4,932,254 und US-A- 4,565,438. Bei gewerblichen Anwendungen des in US-A-4,546,060 offenbarten Entwicklungsverfahrens wurde auf die Beaufschlagung des elektrischen Feldes für die Entwicklung mit einer Wechselstromkomponente verzichtet, weil die heftige Bewegung des Entwicklers für eine vollständige Entwicklung als mehr als ausreichend angesehen wurde. Alle gewerblichen Anwendungen dieses Systems arbeiten daher zur Zeit nur mit einem Gleichstromfeld.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Austrag von Trägerteilchen bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Tonern von Bildern der in US-A-4,546,060 offenbarten Art zu reduzieren.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Tonern eines elektrostatischen Bildes auf einem Bildträger gelöst, bei dem das Verfahren im wesentlichen dem in US-A-4,546,060 offenbarten Verfahren entspricht, jedoch mit dem Unterschied, daß bei der vorliegenden Erfindung zwischen dem Mantel und dem Bildträger ein Wechselstrom angelegt wird.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß die Überlagerung des Entwicklungsfeldes mit einer Wechselstromkomponente die Tendenz der Trägerteilchen, sich auf dem Bildträger austragen zu lassen, auffällig reduziert.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt einem Schnitt durch eine Tonungsstation in schematischer Darstellung.
Die Erfindung betrifft das Entwickeln von Bildern mit einem Zweikomponentenentwickler. In Übereinstimmung mit dem branchenüblichen Sprachgebrauch schließt der Begriff "Entwickler" die Bestandteile, aus denen sich das Zweikomponentensystem zusammensetzt, nämlich "Träger" und "Toner" mit ein. Der Träger besteht aus einem magnetisierbaren Material und soll in der Entwicklungsstation bleiben, vorzugsweise bis zur völligen Abnutzung. Der Toner wird mit einer dem Träger entgegengesetzten Ladung versehen und erzeugt das Tonerbild. Er wird in der Entwicklungsstation ständig nachgefüllt.
Wie die Zeichnung zeigt, wurde auf dem Bildträger 1 ein elektrostatisches Bild erzeugt. Der Bildträger 1 durchläuft eine Entwicklungszone, in der er im Zusammenwirken mit einer Tonungsstation 2 entwickelt wird. Die Tonungsstation beinhaltet einen Vorratsbehälter 20 mit zwei Schnecken 25, die den Entwickler ständig mixen, und einem Schaufelrad 15, das den Mischvorgang unterstützt und gleichzeitig dazu beiträgt, den Entwickler einer Elektrode 102 zuzuführen. Die Elektrode 102 beinhaltet einen drehbaren Magnetkern 104, der an seinem Umfang abwechselnd mit entgegengesetzt gerichteten Magnetpolen versehen ist. Der Kern kann von einem Motor 35 gedreht werden. Der Kern ist von einem feststehenden oder drehbaren Mantel 106 umgeben. Dieser Mantel ist vorzugsweise nichtmagnetisch und kann aus Aluminium, Edelstahl oder einem anderen ähnlichen Werkstoff bestehen. Die Tonungsstation beinhaltet ferner eine eintrittsseitige Abstreifvorrichtung 141 und eine austrittsseitige Ablenkvorrichtung 108.
Im Betrieb wird der Vorratsbehälter 20 mit einem Entwickler der in US-A-4,546,060 beschriebenen Art geladen. Er enthält somit geladene Tonerteilchen und mit einer entgegengesetzten Ladung versehene magnetische Trägerteilchen, die bei magnetischer Sättigung eine Koerzitivkraft von mindestens 300 Gauß und in einem anliegenden Feld von 1000 Gauß ein induziertes magnetisches Moment von mindestens 20 EMU/gm aufweisen. Das Trägermaterial hat vorzugsweise eine wesentlich höhere Koerzitivkraft als 300 Gauß. In der gewerblichen Praxis wird ein Trägermaterial mit einer Koerzitivkraft von 2000 Gauß und einem induzierten magnetischen Moment von 55 EMU/gm verwendet.
Die Mischschnecken 25 und das Schaufelrad 15 bewirken eine gründliche Mischung und Ladung des Entwicklers und führen diesen der Elektrode 102 zu. Die rasche Drehung des Kerns 104 - in der Zeichnung im Gegenuhrzeigersinn dargestellt - erzeugt rasche Polübergänge an der Oberfläche des Mantels 106. Eine Drehung des Kerns 104 mit einer Drehzahl zwischen 1000 und 2000 min&supmin;¹ kann beispielsweise je nach Anzahl der Kernpole auf dem Mantel 106 pro Sekunde 200 bis 400 Polübergänge bewirken. Diesen raschen Polübergängen setzt das Trägermaterial infolge seiner hohen Koerzitivkraft und seines Dauermagnetismus Widerstand entgegen. Dieser Widerstand bewirkt, daß sich die Trägerteilchen überschlagen, was wiederum zur Folge hat, daß sie im Uhrzeigersinn um den Mantel 106 und durch eine Entwicklungszone wandern, in der sie den Bildträger 1 berühren. Die Bewegung des Trägermaterials ist äußerst heftig. Das Trägermaterial selbst kann Fäden bilden, die dazu neigen, sich in Vorwärtsrichtung in der Weise zu überschlagen, daß sie während der Polübergänge liegen und sich aufrichten, wenn ihnen der Mittelpunkt des Pols gegenüber steht. Der Entwickler scheint sich daher in Wellenform um den Mantel 106 zu bewegen, wobei die Wellenkämme den Mittelpunkten der Pole gegenüberstehen. Die Heftigkeit der Entwicklerbewegung hat zur Folge, daß sich das Trägermaterial und der Toner im ständigen Wechsel von der Oberfläche des Entwicklers zum Mantel und wieder zurück bewegen, so daß der Toner neu geladen und einem elektrostatischen Bild auf dem Bildträger 1 frischer Toner zugeführt wird.
Die besten Entwicklungsergebnisse werden erzielt, wenn sich das elektrostatische Bild in derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit bewegt wie der Entwickler, wobei die Zufuhr frischen Toners durch die Heftigkeit der Dreh- bzw. Überschlagsbewegung des Trägermaterials in Abhängigkeit von den raschen Polübergängen aufrechterhalten wird. Der Abstand zwischen dem Mantel 106 und dem Bildträger 1 ist geringer als die Höhe der Wellenkämme des Entwicklers. Dadurch gelangt der Entwickler in der Entwicklungszone in unmittelbaren Kontakt mit dem Bildträger 1. Infolge dieses Kontakts kommt es in der Entwicklungszone vor der engsten Stelle zwischen dem Bildträger und dem Mantel 106 zu einer Entwicklerrückführung 55. Diese Rückführung erhöht die Beaufschlagung des Bildes mit Entwickler. Da sich die Teilchen im Entwickler selbst während der Rückführung ständig vom Mantel zur Außenseite der Pulverschicht bewegen, wird dem Bild während des gesamten Rückführvorgangs frischer Toner zugeführt. Die Rückführung trägt somit zur Verbesserung der Bilddichte und des Entwicklungsgrades bei. Während der Rückführung kann sich das Trägermaterial jedoch auch etwas mehr von dem Magnetkern 104 entfernen, so daß gelegentlich Trägerteilchen aufgegriffen und von dem Bildträger 1 ausgetragen werden.
Dieses Problem ist in zahlreichen Veröffentlichungen über Zweikomponenten-Entwicklungssysteme mit Magnetbürsten dokumentiert. Es verursacht in der nachgeschalteten Anlage insofern erhebliche Schwierigkeiten, als es die Übertragung von Toner verhindert, den Fotoleiter beschädigt und die Reinigung des Bildträgers erschwert. Das Problem ist bei der in der Zeichnung dargestellten Entwicklungsart besonders gravierend.
Die Anmelderin hat erkannt, daß die Überlagerung der normalen Vorspannung zwischen dem Mantel 106 und dem Bildträger 1 mit einer Wechselstromkomponente die Tendenz des Bildträgers 1, Trägermaterial auszutragen, bei diesem Prozeß wesentlich reduziert. Das Ausmaß der dadurch erzielten Verbesserung ist bemerkenswert, wie das folgende Beispiel zeigt:
In einer Versuchsreihe mit Gleichstrom- und Gleichstrom + Wechselstrom-Entwicklungsvorspannung wurden elektrostatische Bilder getonert und die Menge aufge griffenen Trägermaterials an 250 Bildern gemessen. In der Entwicklungsstation drehte sich ein Mantel mit einem Durchmesser von 50 mm mit einer Drehzahl von 60 min&supmin;¹ und ein Magnetkern mit einer Drehzahl von 1100 min&supmin;¹. Der Kern wies 14 Pole abwechselnd unterschiedlicher Polarität mit etwa 850 Gauß, an der Mantelfläche gemessen, auf. Der Fotoleiter bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von 445 mm/s, was einer Kopiergeschwindigkeit von 110 Stück pro Minute entspricht. Die Konzentration des Toners betrug 12 Massenanteile, die des Trägermaterials 88 Massenanteile. Die spezifische Ladung des Toners betrug -23,5 uc/g. Das Trägermaterial hatte eine Koerzitivkraft von 2000 Gauß und ein Sättigungsmoment von 55 EMU/g und war in einem Feld mit 8000 Gauß magnetisch gesättigt (dauermagnetisiert). Mit einer im Abstand von 0,76 mm vom Mantel angebrachten Abstreifvorrichtung wurde die Höhe der Wellenkämme des Entwicklers begrenzt. Der Abstand zwischen Mantel und Fotoleiter betrug 0,58 mm. In der Entwicklungszone kam es zu einer erheblichen Entwicklerrückführung. Die Ladung des Fotoleiters betrug -420 V bei einer Gleichstrom-Entwicklervorspannung von -330 V. Ohne eine Wechselstromvorspannung betrug die gemessene Menge des von dem Fotoleiter aufgegriffenen Trägermaterials im Schnitt 0,498 g. Die Standardabweichung betrug bei dieser Versuchsreihe 0,179 g. Bei der gleichen Gleichstromvorspannung und einer zusätzlichen Wechselstrom-Rechteckvorspannung mit einem Spitzenwert von 1,5 kV bei 4 kHz wurde im Schnitt ein Trägermaterialaustrag von 0,060 g mit einer Standardabweichung von 0,006 g gemessen. Bei der erwähnten Gleichstromvorspannung von -330 V und einer zusätzlichen Wechselstrom-Rechteckvorspannung mit einem Spitzenwert von 3 kV bei 4 kHz wurde im Schnitt ein Trägermaterialaustrag von 0,038 g mit einer Standardabweichung von 0,009 g gemessen. Diese Ergebnisse zeigen, daß sich der gemessene Entwickleraustrag bemerkenswert stark verringert, wenn bei dieser Art des Bürstenauftrags zusätzlich zu der Gleichstrom- Entwicklungsvorspannung eine Wechselstromvorspannung angelegt wird.
Wie bei nahezu allen mit Magnetbürsten arbeitenden Systemen ist es wünschenswert, auch zwischen dem Mantel und dem Bildträger ein Gleichstromfeld anzulegen, um die Ablagerung von Toner in Bildbereichen zu fördern und den Toner von Hintergrundsbereichen fernzuhalten. Die Wechselstromkomponente des Feldes hat ein wesentlich höheres Potential. Nach Meinung der Anmelderin lösen das Potential und die Frequenz der Wechselstromkomponente das Trägermaterial vom Bildträger, so daß dieses vom Kern leichter auf den Mantel zurückgezogen werden kann.
Die Erfindung wurde hier an Hand einer bevorzugten Ausführungsform ausführlich beschrieben, läßt aber Änderungen und Abwandlungen zu, ohne den Schutzumfang der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Reduzieren des Austrags von Trägerteilchen beim Tonern eines elektrostatischen Bildes auf einem Bildträger (1) mit den Schritten:

- Verbringen eines Zweikomponentenentwicklers zu einer Elektrode (102) mit einem drehbaren, mehrpoligen Magnetkern (104) und einem um zumindest einen Abschnitt des Magnetkerns herum angeordneten Mantel (106), wobei der Zweikomponentenentwickler geladene Tonerteilchen und mit einer entgegengesetzten Ladung versehene Trägerteilchen umfaßt, die ein hartmagnetisches Material mit einer Koerzitivkraft von mindestens 300 Gauss aufweisen, wenn sie magnetisch gesättigt sind, und ein induziertes magnetisches Moment von mindestens 20 EMU/gm an Trägerteilchen, wenn ein Feld von 1000 Gauss angelegt ist, und

- Drehen des Magnetkerns (104), um einen schnellen Polübergang auf dem Mantel zu erzeugen, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bewegen des Entwicklers entlang dem Mantel in Wellenform und in unmittelbare Berührung mit dem Bildträger (1) in einer Entwicklungszone und

- Erzeugen eines Wechselstromfeldes zwischen dem Mantel und dem Bildträger derart, daß die Trägerteilchen im wesentlichen in der Entwicklungszone verbleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld eine Gleichstromkomponente aufweist, die die Ablagerung von Toner in Bildbereichen fördert, jedoch die Ablagerung von Toner in Hintergrundsbereichen verhindert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unmittelbare Berührung zwischen dem Zweikomponentenentwickler und dem Bildträger groß genug ist, um im wesentlichen eine Rückführung des in Berührung mit dem Bildträger (1) befindlichen Entwicklers zu bewirken.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koerzitivkraft der Trägerteilchen größer als 1000 Gauss ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koerzitivkraft der Trägerteilchen größer als 1500 Gauss ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstromfeld eine Spannung von mehr als 500 V und eine Frequenz von mehr als 1000 Hz hat.

7. Vorrichtung zum Tonern eines auf einem Bildträger befindlichen elektrostatischen Bildes, mit

- einem Vorrat an Zweikomponentenentwickler, der geladene Tonerteilchen und mit einer entgegengesetzten Ladung versehene Trägerrteilchen umfaßt, die ein hartmagnetisches Material mit einer Koerzitivkraft von mindestens 300 Gauss aufweisen, wenn sie magnetisch gesättigt sind, und ein induziertes magnetisches Moment von mindestens 20 EMU/gm an Trägerteilchen, wenn ein Feld von 1000 Gauss angelegt ist,

- einem Vorratsbehälter (20) zum Aufnehmen des Entwicklervorrats,

- Mitteln (15, 25) zum Mischen des Entwicklers im Vorratsbehälter (20),

- einer Elektrode (102) zum Aufnehmen von Entwickler aus dem Vorratsbehälter (20), wobei die Elektrode (102) mit einem drehbaren, mehrpoligen Magnetkern (104) und einem um zumindest einen Abschnitt des Magnetkerns (104) herum angeordneten Mantel (106) versehen ist,

- einem Mittel (35) zum Drehen des Magnetkerns (104), um Entwickler um den Mantel (106) herum in einer zur Drehrichtung des Magnetkerns (104) entgegengesetzten Richtung und durch eine Entwicklungszone im wesentlichen in Berührung mit dem Bildträger (1) zu bewegen, um das elektrostatische Bild zu entwickeln, gekennzeichnet durch

- Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem Mantel (106) und dem Bildträger, wobei das elektrische Feld im wesentlichen eine Wechselstromkomponente aufweist, derart, daß die Trägerteilchen im wesentlichen in der Entwicklungszone verbleiben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die zwischen dem Mantel und dem Bildträger eine Gleichstromkomponente dem elektrischen Feld überlagern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel und der Bildträger einen Abstand voneinander aufweisen, der so gering ist, daß die Berührung zwischen dem Entwickler und dem Bildträger (1) im wesentlichen eine Rückführung des in Berührung mit dem Bildträger befindlichen Entwicklers bewirkt.