DE69517543T2

DE69517543T2 - Bilderzeugungsverfahren und Gerät

Info

Publication number: DE69517543T2
Application number: DE69517543T
Authority: DE
Inventors: Akira Arimoto; Nobuyoshi Hoshi; Shinya Kobayashi; Seiji Maruo; Teruaki Mitsuya; Mamoru Okano; Atsushi Onose; Tatsuya Sugita; Yasuo Takuma; Yoshito Tsunoda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: EP0672969A2; EP0672969B1; EP0672969A3; US5666598A; DE69517543D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bilderzeugungsverfahren und eine Bilderzeugungsvorrichtung in der Art eines Druckers, eines Faxgeräts oder eines Kopiergeräts oder dergleichen.
Eine bekannte Art eines Photokopiergeräts erzeugt ein gedrucktes Bild auf einem Stück Papier durch Erzeugen eines elektrischen Bilds auf einem photoleitfähigen Element, durch Aufbringen von Toner auf das elektrische Bild und durch Übertragen des Toners auf ein Blatt Papier, um darauf ein Bild zu erzeugen, das dann fixiert wird. Ein solches Photokopiergerät muß mit einem photoleitfähigen Element, einer Ladeeinheit, einer Belichtungsvorrichtung, einer Entwicklungsvorrichtung, einer Übertragungsvorrichtung, einer Einrichtung zum Beseitigen statischer Aufladungen, einer Reinigungsvorrichtung, einer Fixiervorrichtung und dergleichen versehen sein. Es ist daher schwierig, ein solches Photokopiergerät zu erzeugen, das kompakt und relativ kostengünstig ist.
Weiterhin erzeugt ein solches Photokopiergerät ein Tonerbild auf dem Papier und fixiert das Tonerbild dann unter Verwendung einer Fixiervorrichtung. Falls daher bei dem Fixierprozeß vorhergehenden Prozessen ein nicht erforderlicher Teil des Toners am Papier haftet, wird der nicht erforderliche Teil des Toners zusammen mit dem Tonerbild fixiert, wodurch eine Bildaufweichung auftritt, die die Bildqualität verschlechtert.
Eine in der japanischen Patentanmeldung JP-A-4-10955 offenbarte Bilderzeugungsvorrichtung steuert die Bewegung der Teilchen eines Toners mit einem Lichtstrahl. Der Toner wird dazu gezwungen, sich innerhalb einer Tonerkammer und innerhalb des auf die Teilchen des Toners gerichteten Lichtstrahls zu bewegen, um diese Teilchen auf ein Stück Papier zu befördern. Der Toner auf dem Papier wird nachfolgend fixiert.
Bei diesem System wird das Steuern der Bewegung der Tonerteilchen erreicht, indem den Teilchen mit einem konzentrierten Laserstrahl kinetische Energie verliehen wird, wenn sie in der Luft in der Tonerkammer schweben. Die Bewegung des Toners ist jedoch sehr gering, weil die Dauer der Bestrahlung des Toners mit dem abtastenden Lichtstrahl verhältnismäßig kurz ist und die vom Lichtstrahl erzeugte Kraft verhältnismäßig gering ist. Weil die Bewegung von Tonerteilchen in der Luft gesteuert werden muß und die Bewegung der Teilchen dem Luftwiderstand unterliegt, werden alle sich bewegenden Tonerteilchen in relativ kurzer Zeit zum Halten gebracht. Es ist mit anderen Worten für den Lichtstrahl schwierig, die Tonerteilchen sehr weit zu bewegen. Wenn diese Bilderzeugungsvorrichtung daher einen Abtastvorgang mit einer praktischen Bilderzeugungsgeschwindigkeit ausführt, liegt die Bewegungsstrecke des Toners im Bereich von 1 um. Daher müßte jedes Teilchen des Toners in einem verhältnismäßig langen Zeitraum mit Licht bestrahlt werden, damit die zugeführte Energie ausreicht, um jedes Teilchen des Toners um eine ausreichend lange Strecke bis zum Papier zu bewegen. Daher kann die Bilderzeugungsvorrichtung ein Bild nicht in einem praktischen Zeitraum vervollständigen.
Falls die Teilchen des Toners weiterhin für einen verhältnismäßig langen Zeitraum mit Licht bestrahlt werden, wird die Bewegung der angestrahlten Teilchen des Toners durch die normale Brown'sche Bewegung der anderen Tonerteilchen zusammen mit der Änderung von Umgebungsbedingungen gestört, und die Bildung eines klaren Bilds wird daher verhindert.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Größe der Tonerkammer verhältnismäßig klein sein muß, wenn der Toner in einem schwebenden Zustand zugeführt wird, weil die durch das Licht hervorgerufene Bewegungsstrecke des Toners verhältnismäßig kurz ist. Es ist jedoch schwierig, den Toner in einem schwebenden Zustand durch einen dünnen Raum zuzuführen, weil der Tonerumlaufweg in der Kammer durch den Toner verstopft wird. Es ist daher schwierig, das Bilderzeugungsmedium stabil und konsistent zuzuführen.
Weil die Tonerteilchen weiterhin innerhalb eines Umlaufkanals schweben, der eine Öffnung aufweist, durch die die Tonerteilchen auf das Papier übertragen werden, können Tonerteilchen durch die Öffnung auf das Papier "fallen", ohne daß sie in Kontakt mit dem Lichtstrahl gelangen. Hierdurch wird eine Bildaufweichung hervorgerufen.
Eine in der japanischen Patentanmeldung JP-A-59-102269 offenbarte Bilderzeugungsvorrichtung bestrahlt einen an einem Tonertransportelement haftenden Toner in einer Entwicklungs- und Übertragungseinheit mit einem Laserstrahl, um den Toner zu schmelzen und ihn zu einem Aufzeichnungsblatt zu übertragen und an diesem zu fixieren.
Eine Veröffentlichung mit dem Titel "Characteristics of Thermal Transfer Printing by Laser Heating (iii) - Study of Colour Printing Process" von Mitsuru Ine u. a. (S. 8-13) erörtert ein Thermotransfer-Farbdrucken unter Erhitzung mittels Laser. Bei diesem Prozeß wird ein farbiges Tintenband gegenüber einem Stück Papier angeordnet, und Tinte wird unter Verwendung eines Laserstrahls vom Band auf das Papier übertragen.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "Tonerjet - a Direct Printing Process" von Jerome Johnson u. a. (S. 509-512) ist ein Direktdruckverfahren offenbart. Bei diesem Prozeß werden geladene Tonerteilchen direkt auf eine Papieroberfläche aufgebracht, um ein sichtbares Bildmuster zu erzeugen. Eine Anordnung von Drahtgitterelektroden wird verwendet, um einzelne elektrostatische Felder mit der Größe eines Punkts zu erzeugen, und geladene Tonerteilchen werden durch die Drahtgitteröffnungen aus einem Tonerbehälter gezogen und im gewünschten sichtbaren Bildmuster auf einer Oberfläche unbedruckten Papiers abgelagert. Sobald sie sich auf dem Papier befinden, werden die Tonerteilchen zur Erzeugung eines permanenten Bilds geschmolzen.
In Research Disclosure, Nr. 350, 1. Juni 1993, S. 391 mit dem Titel "One step electrophotography process using toner charged by photoinduction" ist ein Prozeß offenbart, bei dem ein Toner auf eine transparente Trommel aufgebracht wird. Der Toner enthält einen photoleitfähigen Farbstoff und wird durch Beleuchtung aktiviert. Es wird ein Feld angelegt, um den beleuchteten Toner auf das Papier zu treiben.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bilderzeugungsverfahren und eine Bilderzeugungsvorrichtung bereitzustellen, wodurch die Bewegung eines Bilderzeugungsmediums durch eine Kraft gesteuert wird, die durch einen modulierten Energiestrahl, der entsprechend Bildinformationen moduliert ist, erzeugt wird, wodurch das Bilderzeugungsmedium vorzugsweise stabil einer Bestrahlungszone zugeführt werden kann und einige oder alle der oben erwähnten Probleme gemindert werden können.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung gemäß einer ersten Erscheinungsform eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds auf einem Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 1 vor.
Demgemäß muß der Energiestrahl nicht die gesamte Energie bereitstellen, die erforderlich ist, um die gewählten Teilchen zum Aufzeichnungsmedium zu übertragen, und das Problem, daß es erforderlich ist, die Teilchen für einen relativ langen Zeitraum zu bestrahlen, wird vermieden.
Der Begriff "Toner" schließt, so wie er hinsichtlich der vorliegenden Erfindung verwendet wird, alle Bilderzeugungsmedien, die zum Erzeugen eines Bilds auf einem Aufzeichnungsmedium geeignet sind, wie Tinte auf Papier, ein.
Vorzugsweise weist die Einrichtung zum Erzeugen eines Energiestrahls eine Lichteinrichtung zum Erzeugen von einem oder mehreren Lichtstrahlen auf. Die Energiedichte des vom Toner empfangenen Lichts liegt vorzugsweise bei 0,53 J/cm² oder darüber. Vorzugsweise wird die Energie bei dieser und/oder den anderen Erscheinungsformen der vorliegenden Erfindung direkt den ausgewählten Teilchen zugeführt, und es gibt mit anderen Worten eine direkte Bestrahlung der Teilchen.
Der Hohlkörper kann eine Trommel oder ein zusammenhängender Riemen sein, und der Körper kann eine Oberfläche aufweisen, an der zumindest ein Teil der Tonermenge einschließlich der ausgewählten Teilchen haften kann, wobei sich die Einrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahls innerhalb des Hohlkörpers befindet.
Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Elektrode auf, die Teil der Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds ist, wobei die zweite Elektrode so angeordnet ist, daß sie auf der bezüglich der ersten Elektrode entgegengesetzten Seite des Aufzeichnungsmediums positioniert ist, wenn die ausgewählten Teilchen zum Aufzeichnungsmedium bewegt werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Elektrode auf, die Teil der Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds ist, wobei die zweite Elektrode so positioniert ist, daß sie zwischen dem Aufzeichnungsmedium und der ersten Elektrode angeordnet ist, wenn die ausgewählten Teilchen zum Aufzeichnungsmedium bewegt werden, wobei die zweite Elektrode eine Öffnung aufweist, durch die die ausgewählten Teilchen bewegt werden können.
Die Lichteinrichtung weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Erzeugen eines Arrays von Lichtstrahlen auf. Vorzugsweise können mehrere Lichtstrahlen durch die Lichteinrichtung erzeugt werden, wobei jeder der mehreren Lichtstrahlen Daten aufweist, die sich auf das Erzeugen unterschiedlich farbiger Bilder auf dem Aufzeichnungsmedium beziehen.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Fixieren der ausgewählten Teilchen auf dem Aufzeichnungsmedium und eine Einrichtung zum Entfernen nicht fixierten Toners von dem Aufzeichnungsmedium auf. Die Einrichtung zum Fixieren kann die Lichteinrichtung aufweisen, was bedeutet, daß die Bilderzeugungsvorrichtung ein Bild mit Licht erzeugt und das Bilderzeugungsmedium (den Toner) durch die Energie desselben Lichts schmilzt. Alternativ können bei der vorliegenden Erfindung an Stelle von Licht Schallwellen, Mikrowellen oder eine Heizung verwendet werden, um ein Bild mit einem mit Energie versorgten Bilderzeugungsmedium zu erzeugen und das Bilderzeugungsmedium durch die Energie der Schallwellen, der Mikrowellen oder des Heizers, wodurch dieselbe Wirkung erzielt wird, zu fixieren.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Bilds auf einem Aufzeichnungsmedium nach Anspruch 8 vor. Die ausgewählten Teilchen weisen vorzugsweise eine elektrostatische Ladung auf, und die zusätzliche Energie wird den ausgewählten Teilchen vorzugsweise durch ein elektrisches Feld verliehen. Die ausgewählten Teilchen können durch den Schritt (i) von der Tonermenge getrennt werden, und die Teilchen können durch direkte Bestrahlung mit dem Energiestrahl auf dem Aufzeichnungsmedium fixiert werden.
Das Verfahren kann weiterhin den Schritt des nachfolgenden Entfernens jeglicher nicht fixierter Teilchen der Tonermenge vom Aufzeichnungsmedium aufweisen.
Das Bilderzeugungsmedium (d. h. der Toner) kann ein Pulver sein, und die ausgewählten Teilchen (also der Bilderzeugungsteil des Bilderzeugungsmediums) und der Rest der Tonermenge (der nicht erforderliche Teil des am Aufzeichnungsmedium haftenden Bilderzeugungsmediums) können voneinander unterschieden werden, wenn die ausgewähl ten Teilchen (beispielsweise durch Schmelzen) von der Einrichtung zum Erzeugen eines Energiestrahls am Aufzeichnungsmedium fixiert werden. Dementsprechend kann der nicht erforderliche Teil des Bilderzeugungsmediums durch die Entfernungseinrichtung entfernt werden, um eine nach der Erzeugung des Bilds erfolgende Bildaufweichung zu verhindern. Demgemäß kann die vorliegende Erfindung den Belichtungsprozeß, den Entwicklungsprozeß, den Übertragungsprozeß und den Fixierprozeß eines elektrophotographischen Prozesses durch einen einzigen Prozeß ausführen, so daß die Bilderzeugungsvorrichtung einen einfachen und kleinen Aufbau haben kann. Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine Bilderzeugungsvorrichtung vor, die in der Lage ist, ein Bild mit einem Toner zu erzeugen und das auf eine Bildaufweichung zurückzuführende Verschlechtern der Bildqualität zu verhindern.
Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zum Aufbringen der Tonermenge auf das Aufzeichnungsmedium aufweisen, die einen elektrostatischen Träger einschließen kann, an dem zumindest ein Teil der Tonermenge vor dem Aufbringen auf das Aufzeichnungsmedium angebracht werden kann.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun durch nicht einschränkende Beispiele anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1(a) und 1(b) Diagramme zu Darstellung der Wirkung von Lichtdruck auf ein Tonerteilchen,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 2,
Fig. 4 ein Diagramm, in dem die auf Tonerteilchen in der Vorrichtung aus Fig. 2 wirkenden Kräfte dargestellt sind,
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Festigkeit gegenüber der Frequenz, in der die Verteilung der Tonerhaftung während des Betriebs der Vorrichtung aus Fig. 2 dargestellt ist,
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer transparenten Trommel der Vorrichtung aus Fig. 2,
Fig. 7(a) eine schematische Ansicht einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 (b) eine schematische Ansicht eines Teils der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 7(a),
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Teils einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Teils einer Farbbild-Erzeugungsvorrichtung, die eine Modifikation der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 2 ist,
Fig. 10 eine graphische Darstellung, in der die Lichtabsorptionseigenschaften von Toner dargestellt sind, der bei einer Farbbild-Erzeugungsvorrichtung aus Fig. 9 verwendet wird.
Zuerst wird die auf ein Tonerteilchen durch Licht ausgeübte Kraft beschrieben.
Licht hat einen Impuls. Wie in Fig. 1 (a) und 1 (b) dargestellt, wird, wenn ein Lichtstrahl 80 auf ein Medium, wie ein Teilchen 110, fällt, das Licht reflektiert, und die Ausbreitungsrichtung des Lichts wird durch Brechung geändert. Folglich ändert sich der Impuls des Lichts und übt einen Druck F auf das Medium aus, das die Ausbreitungsrichtung des Lichts geändert hat. Der auf das Medium, das die Ausbreitungsrichtung des Lichts geändert hat, wirkende Druck F erreicht ein Maximum, wenn das gesamte eintreffende Licht entgegengesetzt zur Einfallsrichtung des eintreffenden Lichts reflektiert wird. Der Lichtdruck F wird durch
F = 2P/c
ausgedrückt, wobei P die Energie des Lichts ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn Licht auf ein Teilchen fällt, verringert sich der Lichtdruck entsprechend einer Streuungsbedingung abhängig von den optischen Eigenschaften des Teilchens, wie der Form, dem Brechungsindex, dem Absorptionsfaktor und dergleichen, und der tatsächliche Druck F, der auf das Teilchen wirkt, ist:
F = (2P/c)q; 0 ≤ q ≤ 1,
wobei q der Streukoeffizient zur Korrektur ist.
Demgemäß erzeugt auf das Teilchen 110 fallendes Licht, wobei der Reflexionswinkel kleiner als 180º ist, was bei den Strahlen 83, 84 der Fall ist, die Kraft FA bzw. FB, die kleiner als F ist.
Wie in Fig. 1 (b) dargestellt, kann das Teilchen infolge der Brechung des Lichts durch das Teilchen durch das konzentrierte Licht eingefangen werden, weil ein transparentes Teilchen eine Kraft in einer Richtung empfängt, in der die Lichtintensität hoch ist. Daher kann das durch das Licht eingefangene Bilderzeugungsmedium 110 in eine vorgegebene Position bewegt werden.
Wenn ein Bild durch Abtasten mit einem Lichtstrahl gebildet wird, muß der Lichtstrahl mit einer hohen Abtastgeschwindigkeit bewegt werden. Daher wird jedes Teilchen für eine sehr kurze Zeit mit dem Lichtstrahl bestrahlt, und das Teilchen wird daher durch den Lichtdruck um eine sehr kurze Strecke bewegt.
Falls der Lichtdruck jedoch zum Zerstören des Gleichgewichts der auf das Bilderzeugungsmedium 110 wirkenden Kräfte statt zum Zuführen kinetischer Energie zum Bilderzeugungsmedium 110, um zu ermöglichen, daß es ein Bilderzeugungsmedium erreicht, verwendet wird, kann ein Bild selbst dann schnell erzeugt werden, wenn es durch Abtasten mit einem Lichtstrahl erzeugt wird.
Wenn die das Bilderzeugungsmedium 110 festhaltende Kraft höher als der Lichtdruck ist, kann der Kraft durch Ausüben einer zusätzlichen Kraft, wie einer elektrostatischen Kraft, einer magnetischen Kraft, einer Zentrifugalkraft oder dergleichen auf das Teilchen entgegengewirkt werden, und das Teilchen wird dadurch vom durch den Lichtdruck ausgeübten Zwang befreit. Nachdem das Teilchen vom Zwang befreit worden ist, kann es durch eine andere Kraft als den Lichtdruck bewegt werden.
Weil das Teilchen in diesem Fall mit Licht bestrahlt werden muß, um nur den Druck auszuüben, der zum Befreien des Teilchens erforderlich ist, kann das Teilchen für eine verhältnismäßig kurze Zeit mit dem Lichtstrahl bestrahlt werden, und der Lichtstrahl kann daher für ein schnelles Abtasten bewegt werden.
Weil das Bilderzeugungsmedium festgehalten wird, kann es stabil einer Bestrahlungszone zugeführt werden, wo es durch den Lichtstrahl bestrahlt werden kann. Das Bilderzeugungsmedium kann durch Haften, durch Lichtdruck, durch Schalldruck oder dergleichen festgehalten werden.
In Fig. 2 ist eine Bilderzeugungsvorrichtung 100 dargestellt, bei der ein an einer Trommel 221 haftendes Bilderzeugungsmedium 101 zu einer Position 103 unter einem Lichtstrahl 81 transportiert wird.
Das Bilderzeugungsmedium 101, also ein Toner, wird aufgeladen und durch eine Tonerauftragseinheit 226 auf den Umfang der transparenten Trommel 221 aufgebracht, so daß der Toner mit einer gleichmäßigen Dicke am Umfang der Trommel 221 haftet. Die Trommel wird mit einer Bildladung aufgeladen, so daß der aufgeladene Toner zur Trommel 221 hin gezogen wird. Daraufhin wird ein nicht erforderlicher Teil des Toners 101 durch ein von einer Tonerauswahleinheit 225 erzeugtes elektrisches Feld entfernt. Wenn er mit einem konzentrierten Laserstrahl 81 belichtet wird, wird der Toner durch den Lichtdruck von der transparenten Trommel 221 getrennt, und der Toner wird dann durch eine zusätzliche Energiequelle, wie ein von einer Entwicklungselektrode 224 erzeugtes elektrisches Feld, zu einem Blatt Papier 150 (also einem Bildaufzeichnungsmedium) gezogen.
Der Laserstrahl 81 wird durch eine nicht dargestellte Linse konzentriert, und er wird zum Abtasten durch eine optische Abtasteinheit 40 bewegt. Die Intensität des Laserstrahls 81 wird entsprechend Bildinformationen moduliert, die ein auf dem Blatt Papier 150 zu bildendes Bild darstellen, so daß gewünschte Teile der Oberfläche des Blatt Papiers bestrahlt werden. Der Laserstrahl 81 kann durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Energiestrahls in der Art eines Halbleiterlasers emittiert werden.
Der auf das Blatt Papier 150 übertragene Toner läuft zusammen mit dem Blatt Papier 150 zu einer Fixiereinheit 223 weiter, und die Fixiereinheit 223 fixiert dann den Toner an dem Blatt Papier 150. Der auf der Trommel 221 verbleibende Toner wird durch eine Reinigungseinheit 222 entfernt.
Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung einer Bestrahlungszone 103. Geladene Tonerteilchen 101, die an der Oberfläche der transparenten Trommel 221 haften, werden zur Bestrahlungszone getragen, wenn sich die transparente Trommel 221 in die durch einen Pfeil A angegebene Richtung dreht. Der durch einen vom Laserstrahl 81 erzeugten Druck getrennte Toner wird nur der elektrostatischen Kraft des von der Entwicklungselektrode 224 erzeugten elektrischen Felds ausgesetzt, so daß die Tonerteilchen 101 zum Blatt Papier 150 hin gezogen werden.
Fig. 4 zeigt auf den Toner 101 wirkende Kräfte, wenn er mit dem Laserstrahl 81 der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 3 bestrahlt wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Toner durch eine von einer Bildladung, die in der Trommel durch die Ladung des Toners hervorgerufen wird, erzeugte elektrostatische Kraft 303 und eine Haftkraft 302, wie eine van-der-Waals-Kraft, die zwischen der Trommel und dem Toner wirkt, zur transparenten Trommel 221 gezogen.
Eine elektrostatische Kraft 304, die durch ein elektrisches Feld 311 erzeugt wird, das von der Entwicklungselektrode 224 hervorgerufen wird, eine Zentrifugalkraft 305, die auf den Toner wirkt, wenn sich die Trommel dreht, und ein Lichtdruck 301 drücken den Toner alle von der Trommel weg.
Wenn die den Toner zur Trommel ziehenden Kräfte und die Kräfte, die so auf den Toner wirken, daß der Toner von der Trommel getrennt wird (mit Ausnahme des Lichtdrucks 301), im wesentlichen im Gleichgewicht stehen und wenn der Toner durch eine verhältnismäßig geringe Kraft zur Trommel gezogen wird, können die Tonerteilchen 101 durch den Lichtdruck 301 von der Trommel getrennt werden.
Es gibt jedoch eine Änderung des Betrags der Kraft, die ein bestimmtes Tonerteilchen an der Trommel hält, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Daher können durch eine verhältnismäßig geringe Kraft zur Trommel gezogene Tonerteilchen durch die vom elektrischen Feld 311 erzeugte elektrostatische Kraft unbeabsichtigt von der Trommel getrennt werden, wodurch eine Bildaufweichung hervorgerufen wird. Um dies zu verhindern, werden diese von einer verhältnismäßig geringen Kraft angezogenen Tonerteilchen vor der Bestrahlungszone 103 durch eine elektrostatische Kraft eines elektrischen Felds, das von einer Tonerauswahlelektrode 225 erzeugt wird und dessen Intensität vorzugsweise derjenigen des elektrischen Felds 311 gleicht, von der Trommel entfernt.
Fig. 5 zeigt die Verteilung der Haftfestigkeit gegenüber der Menge des diese Festigkeit aufweisenden Toners. Wenn das Haften durch das elektrische Feld verringert wird (Kurve 3), wird eine ausreichend große Menge des Toners mit einer Haftfestigkeit von nur etwa 10&supmin;¹&sup0; N gehalten und kann durch den Lichtdruck von der Trommel getrennt werden. Weil bei dieser Ausführungsform der Lichtdruck zum Trennen des Toners von der Trommel verwendet wird, kann die Dauer der Bestrahlung des Toners mit dem Lichtstrahl verhältnismäßig kurz sein, und es kann daher selbst dann ein Bild erzeugt werden, wenn der Laserstrahl zum Abtasten mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird.
Bei dieser Ausführungsform ist das Bildaufzeichnungsmedium ein Blatt Papier, ein Kunststoffilm oder dergleichen.
Ein Farbstoff, ein Farbmittel oder ein durch Verteilen eines Farbstoffs oder eines Farbmittels in einer Kunststoffbasis oder einer flüssigen Farbe, wie einer Tinte, erzeugter Toner kann als Bilderzeugungsmedium verwendet werden.
Wenngleich oben nur der Lichtdruck als die durch den Lichtstrahl erzeugte und auf das Bilderzeugungsmedium wirkende Kraft erwähnt wurde, erzeugt der Lichtstrahl auch eine photophoretische Kraft und eine auf die thermische Ausdehnung des Bilderzeugungsmediums zurückzuführende Kraft sowie eine auf das Ablösen und das Verdampfen des Bilderzeugungsmediums zurückzuführende Kraft. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch das Verwenden einer durch Lichtenergie erzeugten Kraft zum Bewegen des Bilderzeugungsmediums gekennzeichnet. Jede beliebige der zuvor erwähnten Kräfte kann zum Erzielen desselben Effekts verwendet werden.
Die Wirkung photophoretischer Kräfte wird nun beschrieben. Weil der Toner stark lichtabsorbierend ist, absorbiert er Licht und Wärme von der Lichtenergie, und die Lichtempfangsseite des Toners wird besonders intensiv erwärmt. Wenn die Temperatur des Toners ansteigt, wird die Umgebungsluft durch den Toner erwärmt. Weil die Temperaturverteilung im Toner lokalisiert ist, wird Luft auf der Seite höherer Temperatur des Toners auf eine höhere Temperatur erwärmt, und die Energie der auf die Seite höherer Temperatur des Toners prallenden Luftmoleküle steigt an.
Folglich wird durch eine photophoretische Kraft bewirkt, daß die Tonerteilchen von der Seite höherer Temperatur der Tonermenge zur Seite geringerer Temperatur wandern. Weil der Toner stark lichtabsorbierend ist und der einfallende Lichtstrahl auf der Lichtempfangsseite des Toners mit höherer Rate absorbiert wird, wird durch eine photophoretische Kraft bewirkt, daß die Tonerteilchen in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls wandern, was bedeutet, daß die photophoretische Kraft im wesentlichen so auf die Toner teilchen wirkt, daß die Tonerteilchen in Richtung des Lichtdrucks bewegt werden, und die Tonerteilchen werden folglich um eine Strecke bewegt, die länger ist als diejenige, um die sie bewegt werden würden, falls nur der Lichtdruck auf sie wirken würde. Es ist wünschenswert, daß der Lichtstrahl durch die Oberfläche des Toners mit einer hohen Rate absorbiert wird. Daher kann der Toner ein Färbemittel, wie Ruß oder einen Farbstoff mit einer hohen Dichte in der Oberfläche enthalten.
Die Streuung und die Absorption von Licht durch feine Teilchen lassen sich unter Verwendung eines die Mie-Streuung aufweisenden Ausdrucks bestimmen. Die Mie-Streuung hängt von den jeweiligen komplexen Brechungsindizes der Umgebung und der feinen Teilchen, der Form der feinen Teilchen und der Wellenlänge des Lichtstrahls ab. Wenn die jeweiligen Größenparameter x der feinen Teilchen die gleichen sind, sind die Streubedingungen des Lichtstrahls bei den feinen Teilchen die gleichen. x kann durch
x = 2πd/λ
ausgedrückt werden, wobei d der Durchmesser kugelförmiger feiner Teilchen ist und λ die Wellenlänge des Lichtstrahls ist.
Der Lichtdruck hängt von der Streubedingung ab, und wenn (x ≥ 4) gilt, ist der Lichtdruck proportional zur Querschnittsfläche der Teilchen. Es ist daher wünschenswert, daß der Durchmesser der Teilchen nicht geringer ist als die Wellenlänge des Lichtstrahls. Der Durchmesser der Teilchen braucht nicht größer zu sein als der Durchmesser des konzentrierten Lichtstrahls. Der mittlere Teilchendurchmesser beträgt vorzugsweise 50 um oder weniger, und er liegt bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 um.
Bei den meisten Tonern sind die Formen der Tonerteilchen unregelmäßig, und es gibt viele Definitionen der Teilchengröße. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Durchmesser einer Kugel verwendet, die das gleiche Gewicht wie die Tonerteilchen und denselben Teilchendurchmesser wie der Toner aufweist.
Es ist wünschenswert, daß die Ladung des Toners verhältnismäßig gering ist, um die Kraft der in der Trommel durch die Ladung des Toners induzierten Bildladung zu verringern und die Kraft der Bildladung und der Haftung zu verringern. Es ist auch wünschenswert, daß der Bereich der Verteilung der Ladungen der Tonerteilchen verhältnismäßig schmal ist, um die Kraft der Bildladung und das Haften mit einem elektrischen Feld zu verringern. Es ist auch wünschenswert, daß die Bereiche der Verteilung der Ladungen und der Teilchengrößen der Tonerteilchen verhältnismäßig schmal sind, um diese Kräfte zu vergleichmäßigen.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Bereich der Verteilung der Durchmesser der Tonerteilchen 5% oder weniger und vorzugsweise 1% oder weniger der mittleren Teilchengröße betragen. Es ist wünschenswert, daß Tonerteilchen, deren Formen in etwa wahren Kugeln ähneln, einen homogenen Toner bilden.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Styrolacrylnitril-Toner mit einer mittleren Teilchengröße von 10 um als Bilderzeugungsmedium verwendet. Der Styrolacrylnitril- Toner absorbiert Licht und kann durch die von dem absorbierten Licht erzeugte Wärme geschmolzen werden. Ein polymerer Toner weist eine ausgezeichnete Formgleichmäßigkeit auf, und es wirken daher gleichmäßige Lichtdrücke auf die Teilchen. Wenn die physikalischen Eigenschaften des Toners gleichmäßig sind, kann die Tonerauswahleinheit 225 fortgelassen werden.
Wenn ein magnetischer Toner verwendet wird, kann das Kräftegleichgewicht unter Verwendung einer magnetischen Kraft hergestellt werden. Wenn die Lichtquelle eine hohe Leistung hat und sowohl das Entwickeln als auch das Fixieren mit dem von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl möglich sind, kann die Fixiereinheit fortgelassen werden. Weil die auf die Tonerteilchen durch das Licht ausgeübte Rückstoßkraft umso größer ist, je größer die von den Tonerteilchen empfangene Lichtmenge ist, ist es wünschenswert, einen Lichtstrahl mit einer hohen Lichtenergie zu verwenden. Falls die Tonerteilchen durch das von den Tonerteilchen absorbierte Licht auf eine zu hohe Temperatur erwärmt werden, treten eine Evapotranspiration und ein Verbrennen des Toners auf. Daher ist die den Toner auf seine Zündtemperatur erwärmende Energie eine obere Grenzenergie. Die Zündtemperaturen von Kunststoffmaterialien, die im allgemeinen als Basen gewöhnlicher Toner verwendet werden, liegen im Bereich von 400 bis 500ºC. Wenn die Teilchengröße des Toners 10 um beträgt, muß die auf jedes Tonerteilchen anzuwendende Energie 13 uJ betragen oder kleiner sein als diese. Der Lichtdruck muß höher sein als die Schwerkraft, um die Tonerteilchen mit dem Lichtdruck zu steuern, und wenn die Teilchengröße des Toners 10 um beträgt, muß die Leistung des Lichtstrahls für jedes Tonerteilchen 0,1 mW betragen oder größer sein als diese.
Die Laserlichtquelle kann ein Gaslaser in der Art eines He-Ne-Lasers oder ein Festkörperlaser in der Art eines YAG-Lasers sein. Der Lichtstrahl kann zum Abtasten mit einem polygonalen Drehspiegel oder einer akustooptischen Vorrichtung abgelenkt werden. In Fig. 6 ist eine Elektrode auf der transparenten Trommel 221 dargestellt, die für die vorliegende Erfindung geeignet ist. Die transparente Trommel kann mit einer Elektrode versehen sein, um zwischen der transparenten Trommel und der Entwicklungselektrode ein elektrisches Feld zu erzeugen. Eine Elektrode 232 ist über dem Umfang des Trommelkörpers 231 der transparenten Trommel gebildet, und die Elektrode 232 ist mit einem Schutzfilm 233 beschichtet. Die Elektrode 232 und der Schutzfilm 233 müssen transparent sein. Die Elektrode 232 besteht aus einem ITO-Film, und der Schutzfilm 233 ist ein Film aus einem Dielektrikum, wie SiO&sub2;, SiN, At&sub2;O&sub3; oder ACN.
Es ist vorteilhaft, den Schutzfilm 233 aus einem Material herzustellen, das zwischen dem Schutzfilm 233 und den Tonerteilchen 101 eine verhältnismäßig geringe Haftung erzeugt. Die Elektrode 232 kann ein dünner Metallfilm sein, der Licht durchlassen kann. Eine Spannung, die hoch genug ist, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das den geladenen Toner zum Blatt Papier 150 ziehen kann, wird an die Elektrode 232 und die Entwicklungselektrode 224 angelegt. Es ist wünschenswert, daß der Zwischenraum zwischen dem Umfang der transparenten Trommel 221 und dem Blatt Papier 150 sehr klein ist, vorausgesetzt, daß die Tonerteilchen 101 das Blatt Papier 150 nicht berühren. Der Zwischenraum mißt vorzugsweise 500 um oder weniger, und er liegt bevorzugt im Bereich von 50 bis 300 um.
Die Trommel kann eine zylindrische Glastrommel oder eine transparente, zylindrische Kunststofftrommel sein. Der Laserstrahl wird innerhalb der Trommel emittiert. Es kann an Stelle der Trommel ein transparenter Riemen verwendet werden.
In Fig. 7(a) und 7(b) ist eine Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Aufbau der Bilderzeugungsvorrichtung gleicht mit Ausnahme des optischen Systems der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 2. Das optische System und ein einem Blatt Papier der Bilderzeugungsvorrichtung bei der zweiten Ausführungsform zugewandter Abschnitt sind in Fig. 7(a) und 7(b) vergrößert dargestellt. Fig. 7(b) ist eine Ansicht eines entlang der Linie x-x in Fig. 7(a) dargestellten Schnitts.
Wie in Fig. 7(a) und 7(b) dargestellt, wird durch eine Blitzlampe 10, also eine Lichtquelle, emittiertes Licht 82 durch eine zylindrische Linse 30 konzentriert, und das konzentrierte Licht fällt auf einen räumlichen Modulator 31, der eine Flüssigkristallzeile aufweist. Das von dem räumlichen Modulator durchgelassene Licht fällt auf Tonerteilchen 101, die an einer transparenten Trommel 221 haften. Es wird bewirkt, daß die mit dem Licht bestrahlten Tonerteilchen 101 durch eine von dem Licht erzeugte Kraft zu einem Blatt Papier 150 laufen, und die bewegten Tonerteilchen 101 werden durch ein von einer Entwicklungselektrode 224 erzeugtes elektrisches Feld zum Blatt Papier 150 gezogen. Die Tonerteilchen 101 werden durch von den Teilchen absorbierte Lichtenergie geschmolzen. Die geschmolzenen Tonerteilchen 101 mit kinetischer Energie haften in einem festen Toner 102 am Blatt Papier 150, um ein Bild zu erzeugen. Weil das Entwickeln und das Fixieren gleichzeitig erreicht werden, benötigt die Bilderzeugungsvorrichtung bei der zweiten Ausführungsform keine Fixiereinheit.
Die Blitzlampe 10 weist vorzugsweise eine Ausgangslichtenergie von 100 J und eine Emissionsperiode von etwa 1 ms auf. Ein Reflektor 11 ist auf einer Seite des Blitzlichts 10 entgegen der Seite, auf der die Linse bezüglich der Blitzlampe 10 angeordnet ist, angeordnet, um das von der Blitzlampe 10 emittierte Licht wirksam zur Linse zu reflektieren.
Statt der Blitzlampe kann ein gepulster Laser verwendet werden. Eine Lampe oder ein Laser, der konstant Licht emittiert, kann verwendet werden, wenn die Lichtemissionsfähigkeit der Lampe oder des Lasers ausreichend hoch ist.
Der räumliche Modulator kann zwischen der Lichtquelle und der Linse statt zwischen der Linse und dem Bildaufzeichnungsmedium angeordnet werden.
In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Bilderzeugungsvorrichtung gleicht mit Ausnahme des optischen Systems der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 2. In Fig. 8, die eine Fig. 7 (b) ähnelnde Schnittansicht ist, ist nur das neue optische System dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Laserdiodenarray (LD-Array) 20 verwendet.
Das LD-Array 20 ist eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung von LDs. Weil jede LD für einen Ein/Ausschaltvorgang gesteuert werden kann, braucht die Bilderzeugungsvorrichtung nicht mit einem räumlichen Modulator versehen zu sein. Ein Stablinsenarray 32 ist so angeordnet, daß seine Komponenten-Stablinsen jeweils den LDs entsprechen, um den von den LDs emittierten Laserstrahl 81 wirksam auf das Bildaufzeichnungsmedium zu fokussieren. Ein LED-Array kann statt des LD-Arrays verwendet werden.
In Fig. 9 ist eine Farbbild-Erzeugungsvorrichtung dargestellt, die eine Modifikation der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 2 ist. Bei der Farbbild-Erzeugungsvorrichtung werden mehrere Farbtoner (105, 106, 107) zur Erzeugung eines Farbbilds verwendet, und sie ist mit mehreren Lichtquellen (a, b und c) versehen, die Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen (λa, λb, λc) emittieren, die jeweils den mehreren Farbtonern entsprechen. Bei der Farbbild-Erzeugungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform werden drei verschiedene Tonerarten verwendet, die jeweils unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, und sie ist mit drei Lasern versehen, die jeweils einen Laserstrahl emittieren, wobei die drei Laserstrahlen unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Die von den drei Lasern emittierten Laserstrahlen werden durch drei dichroitische Spiegel 34 abgelenkt, so daß sie entlang einem einzigen optischen Weg laufen. Ein auf dem optischen Weg angeordnetes optisches System gleicht demjenigen der Bilderzeugungsvorrichtung aus Fig. 2.
Ein durch Mischen der drei Tonerarten hergestellter gemischter Toner wird auf den Umfang einer transparenten Trommel 221 aufgebracht. Die drei Tonerarten empfangen nur von den Lichtstrahlen, die jeweils von den entsprechenden Lasern emittiert werden, Lichtdrücke, was bedeutet, daß der Toner (a) 105 einen Lichtdruck vom Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λa empfängt, daß der Toner (b) 106 einen Lichtdruck vom Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λb empfängt und daß der Toner (c) 107 einen Lichtdruck vom Lichtstrahl mit einer Wellenlänge λc empfängt.
Die jeweiligen Intensitäten der Lichtstrahlen werden so gesteuert, daß auf einem Blatt Papier 150 ein Farbbild gebildet wird.
Ein Prinzip eines speziellen Toners, der einen Lichtdruck von einem Lichtstrahl mit einer speziellen Wellenlänge empfängt, ist in Fig. 10 dargestellt. Die Toner a, b und c haben hohe Absorptionskoeffizienten für Lichtstrahlen mit speziellen Wellenlängen, und sie haben kleine Absorptionskoeffizienten für Lichtstrahlen mit anderen als diesen speziellen Wellenlängen. Laserstrahlen, die Wellenlängen aufweisen, die jeweils den Spitzenabsorptionskoeffizienten der Toner entsprechen, werden zum Ausüben von Lichtdrücken auf die entsprechenden Toner verwendet, so daß ein Farbbild erzeugt werden kann.
Demgemäß kann gemäß einer Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung eine Farbbild-Erzeugungsvorrichtung aufgebaut werden, indem eine Bilderzeugungsvorrichtung mit mehreren Lichtquellen versehen wird, wobei jede für einen jeweiligen Toner vorgesehen ist, ohne daß der optische Weg und die Tonerauftragseinheit geändert werden. Daher weisen die Farbbild-Erzeugungsvorrichtung und die Schwarz/Weiß-Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Größe und den gleichen Aufbau auf. Die Farbbild-Erzeugungsvorrichtung kann mit zusätzlichen optischen Wegen und zusätzlichen Tonerauftragseinheiten versehen werden, um den optischen Eigenschaften der Toner zu genügen.
Farbbild-Erzeugungsvorrichtungen können durch Versehen der Bilderzeugungsvorrichtungen aus Fig. 7(a), 7(b) und 8 mit mehreren Lichtquellen, die jeweils eine andere Wellenlänge aufweisen, oder mit einem räumlichen Modulator, der ein Farbbild anzeigen kann, aufgebaut werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Bilds auf einem Aufzeichnungsmedium (150), aufweisend:

eine Tonermenge (10),

eine Einrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahls (81), der von Bildinformationen moduliert und auf ausgewählte Teilchen der Tonermenge gerichtet werden kann, um den ausgewählten Teilchen Energie zuzuführen,

eine Einrichtung (224, 232) zur Erzeugung eines elektrischen Felds, um die ausgewählten Teilchen auf das Aufzeichnungsmedium (150) zu bewegen, und

einen Hohlkörper (221) mit einer ersten Elektrode (232), die Teil der genannten Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds ist,

dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrischer Schutzfilm (233) auf einer Außenfläche der ersten Elektrode (232) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahls eine Lichteinrichtung (10, 20) zur Erzeugung eines oder mehrerer Lichtstrahlen (81) beinhaltet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (225), um den ausgewählten Teilchen eine elektrostatische Ladung zu geben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hohlkörper eine Fläche aufweist, an der mindestens ein Teil der genannten Tonermenge (101) einschließlich der ausgewählten Teilchen gehalten werden kann, und wobei die Einrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahls innerhalb des Hohlkörpers angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer zweiten Elektrode (224), die Teil der Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds darstellt und so angeordnet ist, daß sie sich auf der der ersten Elektrode gegenüberliegenden Seite des Aufzeichnungsmediums (150) befindet, während die ausgewählten Teilchen auf das Aufzeichnungsmedium bewegt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Lichteinrichtung eine Einrichtung (20, 32) zur Erzeugung eines Felds von Lichtstrahlen beinhaltet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei von der Lichteinrichtung mehrere Lichtstrahlen (34) erzeugt werden können, die jeweils Daten zur Erzeugung eines unterschiedlich farbigen Bilds auf dem Aufzeichnungsmedium tragen.

8. Verfahren zur Erzeugung eines Bilds auf einem Aufzeichnungsmedium (150) mit folgenden Schritten:

(i) Auswählen von Teilchen einer Tonermenge (101) durch Übertragen von Energie auf sie mittels Bestrahlung durch einen mit Bildinformationen modulierten Energiestrahl (81), und

(ii) Erzeugen eines elektrischen Felds, um die ausgewählten Teilchen auf das Aufzeichnungsmedium (150) zu bewegen, indem eine erste Elektrode (232) verwendet wird, die Teil eines Hohlkörpers (221) ist,

dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenfläche der ersten Elektrode ein dielektrischer Schutzfilm (233) ausgebildet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ausgewählten Teilchen durch Schritt (i) von der Tonermenge getrennt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die ausgewählten Teilchen durch direkte Bestrahlung mit dem Energiestrahl auf dem Aufzeichnungsmedium fixiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10 mit einem Schritt zum folgenden Entfernen etwaiger vom Aufzeichnungsmedium getragener unfixierter Teilchen der Tonermenge von dem Auf zeichnungsmedium.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Energiestrahl einen oder mehrere Lichtstrahlen (81, 34) beinhaltet.