Pierwszenstwo: 26.11.1969 Stany Zjednoczone Ameryki Opublikowano: 11.11.1974 69581 KI. 21e,19/16 MKP GOlr 19/16 Twórca wynalazku: Christopher Snelling Wlasciciel patentu: Xerox Corporation, Rochester (Stany Zjednoczone Ameryki) Urzadzenie do analizowania rozkladu ladunku lub potencjalu na powierzchni naladowanego elektrostatycznie materialu Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do ana¬ lizowania rozkladu ladunku lub potencjalu na po¬ wierzchni naladowanego elektrostatycznie materia¬ lu, zwlaszcza pólprzewodnika lub dielektryka, przez badanie zmian sily tarcia i przetwarzanie tych zmian w sygnaly elektryczne.Znane jest urzadzenie do analizowania rozkladu ladunku lub potencjalu na plycie elektrofotogra¬ ficznej. W urzadzeniu tym sonda o okreslonym po¬ tencjale jest umieszczona bardzo blisko naladowa¬ nej powierzchni bebna, jednak jej nie dotykajac.Ponadto uklad zawiera mechanizm napedowy i elementy przenoszenia sondy, zapewniajace moz¬ liwosc analizowania powierzchni bebna za pomoca sondy. Gdy naladowana powierzchnia bebna znaj¬ duje sie w sasiediztwie ostrza sondy, w sondzie tej indukuje sie potencjal. Sonda jest polaczona bez¬ posrednio z siatka lampy elektronowej, a potencjal wytworzony w sondzie zmienia punkt pracy lampy w czasie, gdy sonda analizuje naladowana po¬ wierzchnie bebna. Zmiany sygnalu po wzmocnie¬ niu doprowadza sie do urzadzenia detekcyjnego lub innego ukladu odbiorczego, na przyklad urza¬ dzenia odtwarzajacego.Znane sa równiez próby eksperymentalne pro¬ wadzone w oparciu o zjawisko wykryte przez Johnsena^Rahbeka, zgodnie z którym odkryto, ze gdy dwie elektrody oddzielone czescia wykonana z materialu zdolnego do ladowania go, maja zwiek¬ szona róznice potencjalów — sily tarcia pomiedzy 15 30 elektrodami a materialem zdolnym do ladowania go wzrastaja. Johnsen i Rahbek przeprowadzal doswiadczenia przy uzyciu pólprzewodników takich jak agat, marmur, krzemien, 'kosc sloniowa i ka¬ mien litograficzny. Podczas pózniejszych badan zjawiska zastosowano pólprzewodnikowy material elektroniczny, którego dzialanie nie polega na obecnosci Wilgoci, jak to mialo miejsce w przypad¬ ku materialów zastosowanych przez odkrywców zjawiska. Pólprzewodnikowymi materialami elek¬ tronicznymi, które pomyslnie przeszly próby, byly krazki wytworzone przez prasowanie z mieszaniny tlenków magnezu i tytanu wypalanych i zreduko¬ wanych w atmosferze wodoru lulb selenu, pokry¬ wajajce plytke podloza.W dziedzinie analizy, rejestracji i odtwarzania obrazów graficznych niezwykle waznym proble¬ mem jest ograniczanie rozdzielczosci i ostrosci linii odtwarzanego obrazu. Zarówno rozdzielczosc jak i ostrosc sa ograniczone przez ki!lka czynników. Po pierwsze, obraz optyczny, rzutowany na fotoprze- wodnik elektrostatyczny, po drugie zdolnosc foto- przewodnika do utiworzenia na swej powierzchni obrazu ladunków i utrzymania go, po trzecie wlas¬ ciwosci pola elektrostatycznego fotoprzewodnika, dotyczace ostrosci tworzenia obrazu ladunków na jego powierzchni.Analizowanie plyty elektrofotograficznej w opi¬ sanym wyzej urzadzeniu jest oparte na zasadzie wykorzystania sprzezenia indukcyjnego. Jedna 69 58169 581 z niedogodnosci tego ukladu, spowodowana przez sprzezenie indukcyjne, jest fakt, ze trudno jest utrzymac ostrosc pól ladunku na powierzchni nio¬ sacej na sobie ladunki. W ukladzie wykorzystuja¬ cym sprzezenie indukcyjne rozdzielczosc jest zwia¬ zana bezposrednio z odlegloscia ostrza sondy od naladowanej powierzchni. Jesli zatem jest zadana rozdzielczosc zapewniajaca rozróznianie linii o gru¬ bosci 0,02 mm, niezbedny jest odstep 0,02 mm po¬ miedzy sonda a bebnem. Mniejszy odstep, chociaz polepszylby rozdzielczosc, jest trudny do uzyskania ze wzgledów mechanicznych takich jak tolerancje.Ponadto, gdy naladowana powierzchnia jest usy¬ tuowana na bebnie, w czasie analizowania bebna za pomoca nieruchomej sondy wystepuja zmiany odstepu, poniewaz wykonanie bebna o dokladnie stalym promieniu jest praktycznie niemozliwe. Po¬ nadto, przy sprzezeniu indukcyjnym wystepuje do¬ datkowe, niepozadane zjawisko dryfltu pradowego polaryzacji Wstepnej sondy, co moze byc spowo¬ dowane uplyweim przez izolacje. W oimawiainyni urzadzeniu nie wyeliminowano wymienionego dryf- tu lecz starano sie uniknac jego skutków przez okresowe uziemianie siatki lampy elektronowej.Celem wynalazku jest opracowanie urzadzenia, które pozwoliloby usunac niedogodnosci znanych urzajdzen, w których wystepuje sprzezenie induk¬ cyjne oraz opieraloby czesciowo swe dzialanie na zjawisku Johinsena-Rahbeka.Cel ten zostal osiagniety za pomoca urzadzenia do analizowania rozkladu ladunków lub potencja¬ lów na powierzchni naladowanego elektrostatycz¬ nie materialu, rozwiazanego wedlug wynalazku.Urzadzenie to zawiera pierwszy element prze¬ wodzacy z nalozonym nan materialem zdolnym do elektrostatycznego ladowania i drugi element prze¬ wodzacy najkorzystniej w postaci somdy przysto¬ sowanej do poruszania sie po powierzchni elektro¬ statycznie naladowanego materialu, pozostajacy w styku z ta powierzchnia. Ten drugi element jest sprzezony z ukladem przetwarzajacym zmiany sily tarcia, jakie sa wywierane na ten element, bedace funkcja rozkladu ladunków na powierzchni mate¬ rialu elektrostatycznego w sygnaly elektryczne od¬ powiadajace tym zmianom.Uklad do przetwarzania zmiany sily tarcia w sygnaly elektryczne zawiera plytke, która wraz z sonda tworza kondensator. Sonda jest przewo¬ dzaca i osadzona elastycznie na elementach pod¬ porowych. Plytka polaczona jest oscylatorem i sprzezona ujeimnosciowo z sonda tak, ze oscyla¬ tor ten jest modulowany zmianami pojemnosci po¬ miedzy plytka a sonda, podczas ruchu sondy w jej zamocowaniu w wyniku zmian sily tarcia.Urzadzenie wedlug wynalazku ma zastosowanie do zdalnego pirzenoszenia obrazów. W urzadzeniu takim przewodnik i dielektryk tworza warstwe fo¬ toprzewodzaca, która pokrywa foitoprzewodzaca tasme ukladu zdalnego przenoszenia. Ponadto urza¬ dzenie zawiera uklad napedowy do napedzania tej tasmy w styku z sonda, uklad zdalnego przenosze¬ nia zawiera elementy naswietlajace przeznaczone do rzutowania obrazu dokumentu, który ma byc zapisany elektrostatycznie na wymieniona równo¬ miernie naladowana tasme fotoprzewodzaca, w ce- 15 lu utworzenia tej tasmie elektrostatycznego obra¬ zu, odpowiadajacego dokumentowi. Urzadzenie ta¬ kie zawiera pewna ilosc ukladów zdalnego przeno¬ szenia, które sa polaczone ze wspólnym zespolem 5 wyjsciowym, przeznaczonym do odbierania i zapi¬ sywania sygnalów nadawanych przez te uklady.W innym przykladzie zastosowania urzadzenia weldlug wynalazku dielektryk i przewodnik tworza warstwe fotoprzewodzaca, która stanowi pokrycie tasmy fotoprzewodzacej detektora koincydencyjne¬ go. Ponadto urzadzenie zawiera uklad do napedza¬ nia tasmy fotoprzewodzacej wzgledem sondy. De¬ tektor koincydencyjny zawiera ponadto urzadzenie do nakladania ladunku elektrostatycznego na tasme. fotoprzewodzaca, pierwszy uklad naswietlenia da¬ nego obszaru fotoprzewodzacej tasmy, drugi uklad naswietlania danego obszaru fotoprzewodzacej tas¬ my w okreslonym odstepie czasu po naswietleniu przez pierwszy uklad, przy czym sygnaly elektrycz¬ ne z ukladów polaczonych z sonda sa wskaznikami koiincydencyjinego naswietlania danego obszaru fo¬ toprzewodzacej tasmy. Uklady naswietlenia w wy¬ zej omówionej odmianie urzadzenia sa oddalone od siebie o regulowany odsitelp, a kazdy z nich za- 25 wiera ekran optyczny, w którego jednym koncu umieszczone jest zródlo swiatla, a w drugim koncu soczewka i siatka optyczna.Przedmiot wynalazku i jego dzialanie zastanie blizej opisany na podstawie przykladu wykonania 30 przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy ilustrujacy uproszczo¬ ny uklad pomiaru wedlug zjawiska Johmsena-Rah- beka, fig. 2 ilustruje wykres zaleznosci sily tarcia od potencjalu elementów pokazanych na fig. 1, fig. 3 przedstawia przetwornik do przetwarzania sily tarcia wspólpracujacy z ukladem generatora, fig. 4 podaje przetwornik sily w uproszczonym ukladzie przenoszenia, a fig. 5 przedstawia przy¬ klad zastosowania urzadzenia wedlug wynalazku w ukladzie detektora koincydencyjnego.Na fig. 1 przedstawione jest w sposób uprosz¬ czony urzadzenie demonstrujace ogólnie .zastosowa¬ nie zjawiska Johinsena-Rahbeka, czesciowo w opar¬ ciu o które rozwiazane jest w sposób szczególowy 45 urzadzenie wedlug wynalazku. W urzadzeniu tym wystepuja sily przyciagania pomiedzy elektrodami, a naladowanym pólprzewodnikiem. Przewód uzie¬ miajacy 11 jest przylaczony do kosltiki 12 o obsza¬ rze stykowym 1 om2. W czasie pracy urzadzenia 50 przeprowadzono przykladowo próby przy uzyciu kostek z glinu, oraz z mosiadzu. Naladowany pól¬ przewodnik selenowy 13, który ma przykladowo grubosc okolo 50 /u\m, jest podparty lub przymo¬ cowany na stale do przewodzacej plyty 14. Styko- 55 we powierzchnie kostki 12 i pólprzewodnika 13 sa gladko wypolerowane tak, ze istnieje kilka punk¬ tów dobrego styku miedzy ich plaszczyznami. Ply¬ ta 14, na która nalozony jest selen jest uziemiona i wykonana z metalu, który nie reaguje w szkodli- 6o wy sposób z fotoprzewodnikiem lub materialem zdolnym do ladowania go, na przyklad z cynku, glinu lub mosiadzu. Do jednej kostki 12 przymoco¬ wana jest nic 16, której drugi koniec jest przyla¬ czony do naczynia 18, zawierajacego obciazajacy 65 material 19. Nic 16 jest przeciagnieta przez rolke 1769 581 tak, ze sila F, wywierana na nic przez naczynie 18 z materialem obciazajacym, dziala ku dolowi.W czasie prób pólprzewodnik selenowy zostal naladowany, a jego potencjal zmierzono za pomo¬ ca w-oUtoimierza lampowego. Wartosc obciazenia po- 5 trzebnego do utrzymania stalego ruchu kostki 12 po powierzchni naladowanej plyty, jak stwierdzo¬ no, jest funkcja napiecia przylozonego pomiedzy kostka a plyta, które tworza elektrody. Tarcie nici 16 na rolce 17 bylo niewiadome, ale zalozono, ze 10 wartosc wynikajacego stad bledu jest w przybli¬ zeniu stala.Na fig. 2 przedstawione sa wykresy stwierdzo¬ nej doswiadczalnie zaleznosci miedzy zastosowa¬ nym obciazeniem z potencjalem plyty w przypad- 15 ku uzyciu kostki z aluminium lub mosiadzu. Os rzednych wykresu z fig. 2 podaje w gramach sile, wywierana na kostke, a os odcietych podaje na¬ piecie na pólprzewodniku w woltach. Jak wynika z krzywych pokazanych na wykresie, sila tarcia 20 jest zalezna od napiecia. Przeibieg krzywej dla pró¬ by z kostka mosiezna wykazuje, ze wzrost napie¬ cia o 50 V powoduje wzrost sily tarcia o okolo 2 g. Nachylenie krzywej dla próby z kostka alu¬ miniowa nie jest tak strome jak w przypadku 2D kostki mosieznej. Obie krzywe potwierdzaja jed¬ nak zjawisko Johnsena-Rahbeka.Na fig. 3 pokazany jest przyklad przetwornika, wykorzystujacy zjawiska Johinsena-Rahbeka. Po- 30 siada on uziemicina mikrosonde 22, podpierana elastycznie przez pólsztywna, nieprzewodzaca oprawke 21. Warstwa 24 jest wykonana przez po¬ krycie lub osadzenie fotoprzewodzacego selenu na bebnie 26, który jest uziemiony. Chociaz pokazane 35 jest, ze sonda ,22 i beben 26 sa uziemione, pomyslne wyniki mozna osiagnac równiez gdy maja one in¬ ny potencjal. Ponadto, chociaz omówiono tu pól¬ przewodnik selenowy, dla fachowców jest oczy¬ wiste, ze zamiast niego mozna zastosowac kazdy 40 material zdolny do elektrostatycznego naladowania go. Beben 26 mozna wykonac z cynku, aluminium, mosiadzu lub z innego metalu, który nie bedzie powodowal odprowadzania ladunku z fotoprzewod- nika selenowego. Z mikrosonda 22 sprzezona jest 45 pojerninosciowo plytka 23, która wraz z mikrosonda 22 tworzy kondensator zmienny C z powietrzem lub innym dielektrykiem miedzy elektrodami tego kondensatora. Plytka 23 jest przylaczona do obwo¬ du rezonansowego LC, zawierajacego cewke 28 50 i kondensator 29. Ten obwód .rezonansowy jest po¬ laczony równolegle z obwodem sterowania oscyla¬ tora 31. Oscylator 31 jest przykladowo konwencjo¬ nalnym modulatorem FM lufo podobnym obwodem o odpowiednim wzmocnieniu i posiadajacym 55 obwód sterowania.W czasie dzialania urzadzenia pokazanego na fig. 3, beben 26, na którym nalozona jest warstwa 24 fotoprzewodzacego selenu, obraca sie z odpo¬ wiednia predkoscia w kierunku pokajanym 60 strzalka. Selenowa warstwa 24 jest w kontakcie z mikrosonda 22 i ma na swojej powierzchni ladu¬ nek wytworzony za pomoca odpowiedniego urza¬ dzenia ladujacego. Na mikrosonde wywierana jest sila F, zalezna od ladunku warstwy 24 fotoprzewo- 65 dzacego selenu. Zmiany sily wywieranej na mikro¬ sonde powoduja zmiany pojemnosci miedzy nia a plytka 23. Zmiany tej pojemnosci wywoluja mo¬ dulacje czestotliwosciowa drgan wytwarzanych przez oscylator 31, zatem sygnal wyjsciowy z oscy¬ latora 31 zmienia sie zgodnie ze zjawiskiem John¬ sena-Rahbeka, czyli tak, jak napiecie miedzy elek¬ trodami zmienia sile tarcia F miedzy mikrosonda a fotoprzewodnikiem selenowym.Fakt, ze mikrosonda 22 jest uziemiona i styka sie z waristwa fotoprzewodzaca 24 móglby sklonic do przypiUszczen, ze ladunek fotoprzewodinika od¬ plywa przez sonde do ziemi, jednak strata ladun¬ ku jest bardzo mala i mozna ja pominac. Dzieje sie tak dlatego, ze powierzchnia styku mikrosondy z fotoprzewodnikiem jest bardzo mala, a ze wzgle¬ du na to, ze mikrosonda i fotoprzewodnik sa cia¬ lami stalymi jest niewiele punktów styku miedzy nimi, które umozliwilylby duza strate ladunku. Po¬ nadto uplyw ladunku wystepuje tylko w obszarach styku mikrosondy z fotoprzewodnikiem, na skutek czego naladowane obszary nie stykajace sie z son¬ da nie sa rozladowywane, gdyz fotoprzewodnik jest niezwykle dobrym izolatorem i stanowi duza opor¬ nosc dla przeplywu pradu.Na fig. 4 pokazane jest urzadzenie wedlug wy¬ nalazku w uproszczonym ukladzie przenoszenia.Uklad przedstawiony na fig. 4 zawiera pewna ilosc przyrzadów zdalnych, z których kazdy zawiera uklad mikrosondy, opisany na podstawie fig. 3 i przeznaczony do badania rozkladu ladunku na fotoprzewodzacej tasmie 40 ukladu przenoszenia.Wejscia poszczególnych przyrzadów zdalnych 32, 33, 34, 35 i 36 sa przylaczone do wspólnego ukladu wyjsciowego w celu wykorzystania sygnalów wyjsciowych z poszczególnych przyrzadów zdal¬ nych. Urzadzenie przedstawione na fig. 4 moze byc wykorzystane jako uklad odtwarzania.W czasie dzialania przyrzadu zdalnego, tasma 40, obracajaca sie w kierunku pokazanym strzalka jest równomiernie ladowana przez korotron 30 lub inne urzadzenie do ladowania elektrostatycznego.W okreslonym momencie czasu wlaczane sa lampy blyskowe 38 i 39 w celu oswietlenia odtwarzanego dokumentu 50. Zamiast lamp blyskowych 38, 39 mozna z .powodzeniem zastosowac inne urzadzenia, na przyklad uklad z migawka. Obraz dokumentu jest ogaisiKowany na foboprzewodzacym pasie za pomoca soczewki 41, na skutek czego na pasie tym zostaje utworzony utajony obraz elektrostatyczny.Nastepnie naladowany pas jest analizowany de¬ tekcyjnie za pomoca mikrosondy na zasadzie opi¬ sanego juz zjawiska Johrusena-Rahbeka. Sygnal wyjsciowy, reprezentujacy rozklad ladunku na pa¬ sie 40 przekazywany jest z przyrzadu zdalnego na wspólny zespól wyjsciowy w celu wykorzystania go.Na fig. 5 przedstawiono inne zastosowanie urza¬ dzenia wedlug wynalazku. Jest to uklad do doko¬ nywania detekcji koincydencyjnej przez dluzsze okresy czasu. Przy jednym koncu optycznego ekra¬ nu 46 umieszczone jest pierwsze zródlo swiatla 43.Na drugim koncu ekranu 46 usytuowana jest siat¬ ka optyczna 51, przepuszczajaca swiatlo skupione w równolegle promienie przez soczewke 48. So-69 581 8 czewka 48 jest odJdalona od zródla swiatla 43 o okreslany odstep potrzebny do skupienia swiatla w równolegle promienie i lezy blisko optycznej siatki 51. Drugie zródlo swiatla 44 usytuowane jest w ekranie 47 oddalanym o okreslony odstep d od ekranu 46. Soczewka 49, podobnie jak soczewka 48, skupia swiatlo prcepuszczone przez siatke op¬ tyczna na fotoprzewodzacej warstwie 24. Warstwa ta, przechodzaca obok wymienionych zródel swiatla i ukladu detekcyjnego jest równomiernie ladowa¬ na przez korotron 53 lufo inne urzadzenie ladujace.Mikrosonda 22 w .polaczeniu z plytka 23 i oscyla¬ torem 31 dziala jako detektor koincydencyjny, pra¬ cujacy na zasadzie zjawiska Johnsena^Rahbeka.Zródla swiatla 43 i 44 kolejno naswietlaja dany obszar powierzchni warsfwy flotoprzewodzacej po¬ przez siatki opltyczne. Koincydencyjne naswietla¬ nie tych samych obszarów fotoprzewodnika przez zródla swiatla 43 i 44 uwarunkowane jest przez predkosc powierzchni waratwy fotoprzewodzacej i/lub przez nastawny odstejp 6 pomiedzy ekranami 46 i 47. Stan zerowy, przy którym zródla swiatla 43 i 44 kolejno calkowicie rozladowuja dany obszar fotoprzewodnika moze równiez byc wykryty przez uklad detekcyjny. Ponadito, zródla swiaitila 43 i 44 moga byc uruchamiane przez sygnaly przyjmowa¬ ne i nadawane z ukladu kontrolnego. W takim przypadku uklad detekcyjny moze kontrolowac gradient czasu pomiedzy sygnalem nadawanym i odbieranym. Detektor koincydencji moze zawie¬ rac urzadzenia rozladowujace takie, jak generator promieni podczerwonych dostarczajacy cieplo w ce¬ lu rozladowania materialu elektrostatycznego za¬ miast zródel swiatla i ukladów optycznych opisa¬ lo 20 25 30 nych powyzej. W takim ukladzie opisany fotoprze- wodmik jest zastapiony odpowiednim materialem elektrostatycznym. PL PL