Verfahren und Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen von Isolierschichten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen von Isolierschichten, insbesondere von photoelektrisch leitenden Isolierschichten.
Es sind bereits Anordnungen bekannt, mit denen die Oberflächen von Isolierschichten, d. h. Material mit dielektrischen Eigenschaften, elektrostatisch auf geladen werden kann. Die meisten der bekannten Anordnungen verwenden zu diesem Zweck dünne, an Hochspannung liegende Drähte, von denen Entla dungsströme ausgehen. Bekanntlich ist jedoch diese Entladung längs Drähten sehr ungleichmässig. Dies hat eine sehr ungleichmässige Rufladung der Fläche zur Folge. Verstärkt trifft dies zu, wenn diese Drähte am negativen Pol einer Hochspannungsquelle liegen. Für zahlreiche Anwendungen, z.
B. für die Elektro photographie, sind jedoch Aufladevorrichtungen er forderlich, mit denen grössere Flächen völlig gleich- mässig aufgeladen werden können.
Es wurden auch verschiedene Vorrichtungen zur Verbesserung der Gleichmässigkeit der Rufladung vorgeschlagen. So sind Aufladevorrichtungen be kannt, bei denen sich zwischen den Entladungsdräh ten oder einer Reihe von Entladungsspitzen und den aufzuladenden Flächen ein Drahtgitter befindet, das auf einem bestimmten Potential gehalten wird. Durch seine elektrostatische Schirmwirkung beendet es nach einiger Zeit den Aufladevorgang, nämlich dann, wenn die Rufladung das Potential des Gitters erreicht hat. Dabei nimmt die Aufladestromstärke mit zuneh mender Rufladung ständig ab, um beim Erreichen des Endzustandes Null zu werden. Ausserdem nimmt das Gitter einen beträchtlichen Teil des zur aufzula denden Fläche gerichteten Entladungsstromes auf.
Aus diesen Gründen haben diese Vorrichtungen den Nachteil, dass das Gitter den für ,die Rufladung wirk- samen Teil .des Entladungsstromes desto mehr be grenzt, je grösser seine homogenisierende Wirkung auf die Aufladung ist und dass zur Erzielung einer gleichmässigen Aufladung das Erreichen des erwähn ten Endzustandes abgewartet werden muss. Die pri märe Forderung nach der Gleichmässigkeit der Ruf ladung begrenzt daher bei dieser Anordnung die Auf ladegeschwindigkeit in erheblichem Masse.
In einer anderen bekannten Aufladevorrichtung ist ein einziger Entladungsdraht von einer Abschir- mung umgeben, die eine Öffnung aufweist, die der aufzuladenden Fläche zugewandt ist und die leitend mit der meist geerdeten Unterlage des aufzuladenden Materials verbunden ist. Die Abschirmung nimmt den grössten Teil des vom Entladungsdraht ausge henden Ionenstromes auf und ermöglicht so den Be trieb der Aufladevorrichtung bei relativ hohen Span nungen.
Dadurch wird erreicht, dass die Emission nicht -mehr, wie bei Fehlen der Abschirmung, nur von einzelnen Punkten der Drahtoberfläche ausgeht, son dern sich verhältnismässig gleichmässig über die Drahtoberfläche ausdehnt. Auch bei dieser Anord nung sinkt jedoch die Stromergiebigkeit und damit die mögliche Aufladegeschwindigkeit mit steigender Wirkung der Abschirmung erheblich.
Ein zusätzlicher, allen Entladungsdrähten ge meinsamer Nachteil ist die grosse mechanische Stör anfälligkeit, die desto mehr ins Gewicht fällt, je grösser die Arbeitsbreite der Anordnung ist, d. h. je länger die Entladungsdrähte sind, da sie mit wach sender Länge zunehmend zu Schwingungen mit be trächtlicher Amplitude neigen, wodurch einerseits durch die dabei ausgeübte mechanische Beanspru chung, andererseits durch möglicherweise auftretende Funkenentladungen die Lebensdauer erheblich ver kürzt wird. Es sind ferner Anordnungen bekannt, die aus Entladungsspitzen bestehen, die in einer Ebene oder auf dem Umfang von sich .drehenden Zylindern ange ordnet sind.
Auch die Kombination von Spitzen mit parallel zu dem aufzuladenden Material liegenden Stäben als Hilfselektroden sind bekannt, jedoch brin gen auch diese Anordnungen nur eine sehr ungleich- mässige Aufladung mit sich, da stabförmige Hilfs elektroden keinen nennenswerten Einfluss auf den Entladungsstrom der Entladungselektrode ausüben.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, obige Nachteile zu beseitigen, demgemäss ist Gegenstand der Erfindung: I. ein Verfahren zur elektrostatischen Aufladung von Isolierschichten, insbesondere photoelektrisch leitenden Isolierschichten, das dadurch gekennzeich net ist, dass man an mindestens eine Entladungselek trode, welche mindestens angenähert senkrecht zur aufzuladenden Fläche steht, an mindestens eine Ge genelektrode und an mindestens eine Hilfselektrode, die in der Nähe des wirksamen Teiles der Entla dungselektrode, aber nicht in Richtung der minde stens angenähert senkrechten Verlängerung der Ent ladungselektrode auf die aufzuladende Fläche ange ordnet ist,
und deren Erstreckung in zum aufzuladen den Material senkrechter Richtung grösser ist als ihr Abstand zum wirksamen Teil der Entladungselek trode, elektrische Gleichspannung anlegt; sowie II. eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens, die gekennzeichnet ist durch mindestens eine Entladungselektrode, welche mindestens angenähert senkrecht zur aufzuladenden Fläche steht und minde stens eine Hilfselektrode, wobei diese Hilfselektrode in der Nähe des wirksamen Teiles der Entladungs elektrode, aber nicht in Richtung der mindestens an genähert senkrechten Verlängerung der Entladungs elektrode auf die aufzuladende Fläche angeordnet ist,
und wobei ihre Erstreckung in zum aufzuladenden Material senkrechter Richtung grösser ist als ihr Ab stand zum wirksamen Teil der Entladungselektrode.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorrichtung lässt sich eine völlig gleichmäs- sige Aufladung der Isolierschicht mit jeder für die Praxis interessanten Höhe erzielen. Zugleich kann dabei eine ungewöhnlich hohe Arbeitsgeschwindig keit angewandt werden, wobei schon bei einmaligem Durchgang der aufzuladenden Schicht die wün schenswerten Forderungen nach Aufladungsgleich- mässigkeit und -höhe erfüllt werden.
Darüber hinaus wirken sich die mechanischen Eigenschaften der vorliegenden Anordnung begünsti gend auf die Betriebssicherheit, die Handhabung und auf die stets gleiche Reproduzierbarkeit der Aufla- dung aus. Sie lässt sehr grosse Arbeitsbreiten zu im Gegensatz zu anderen Anordnungen, z. B. solche mit Drähten, die zu Schwingungen und daher zu unglei chen Abständen zur Oberfläche des aufzuladenden Materials neigen. Die im vorliegenden Fall geringe Ausdehnung des Besprühungsraumes der Entla dungselektrode in Querrichtung des aufzuladenden Materials lässt in vorteilhafter Weise die Aufladung auch von stark flexiblen Schichten, d. h.
Material von geringer Biegesteifigkeit oder gewellten Schichten zu, da hierbei der Aufladungsstrom nicht zugleich auf stark verschiedene Abstände wirken muss.
In vorteilhafter Weise benötigt man für die vor liegende erfindungsgemässe Anordnung nur eine ein zige Spannungsquelle im Gegensatz zu zwei oder mehr Spannungsquellen bei den bekannten Anord nungen mit Gittern als Hilfselektroden.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vor richtung sollen im folgenden anhand von Zeichnun gen beispielsweise näher beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung. Über der aufzuladen den Schicht 4, unter der eine geerdete Gegenelek trode 3 angeordnet ist, befinden sich die Entladungs elektrode 1 und die seitlich angeordneten Hilfselek troden 2 und 2a.
Fig.2 zeigt eine Vorderansicht einer Ausfüh rungsform, die gute Ergebnisse bringt. Die Entla dungselektroden 1 sind als Spitzen ausgebildet und über einen massiven Metallstab 5 miteinander ver bunden. Eine der beiden Hilfselektroden wie sie in Fig.l unter Pos. 2a gezeigt wird, ist weggelassen, während die 2. Hilfselektrode eingezeichnet wurde. Die Lage der Isolierschicht 4 und der Gegenelektrode 3 wird ebenfalls veranschaulicht.
Fig.3 zeigt eine bevorzugte Ausführungs- und Anwendungsform. Das aufzuladende Material 4 wird hierbei durch die Transportwalzen 7 und 7a erfasst und über eine walzenförmige Gegenelektrode 6 hin weggeschoben und von den Zugwalzen 7b und 7c erfasst und weiterbefördert. Die Aufladung geschieht auch hier mit der Elektrodenanordnung, wie sie prin zipiell in Fig. 1 gezeigt wurde.
Eine weitere Ausführungsform, die ebenfalls sehr gute Ergebnisse bringt, wird in Fig. 4 gezeigt. Beide Hilfselektroden, wie sie in Fig. 1 unter Pos. 2 und 2a gezeigt sind, werden durch Walzen 8 und 9 mit genü gend grossem Durchmesser dargestellt. Diese Hilfs elektroden dienen in Verbindung mit den Gegenwal zen 8a und 9a zugleich zur Beförderung des aufzula denden bzw. des aufgeladenen Materials. Auch bei dieser Anordnung ist eine walzenförmige Gegenelek trode 6 und eine, wie in Fig. 1 gezeigte Entladungs elektrode 1 zur Aufladung des Materials angebracht.
Die einzelnen Teile der erfindungsgemässen An ordnung, wie sie oben nur prinzipiell aufgeführt sind, können in weiten Grenzen verschieden ausgebildet sein oder variiert werden.
Für die Form der vorliegenden Entladungselek trode ist zunächst prinzipiell gefordert, dass sie in etwa senkrechter Richtung auf die elektrostatisch aufzuladende Fläche ausgedehnt sein muss. Vorzugs weise ist die der aufzuladenden Fläche zugekehrte Seite der Entladungselektrode als Spitze oder als Schneide ausgebildet. Falls die Entladungselektrode als Spitze ausgebildet ist, kann sie z. B. in Form einer Nadel, eines spitzen Dreiecks oder eines spitzen Kegels ausgebildet sein. In der Praxis können auch Drahtenden Verwendung finden. Besonders gute Er gebnisse werden erzielt, falls mehrere dieser Spitzen quer zur Aufladerichtung nebeneinander angeordnet werden. Die Enden dieser Spitzen werden auf ihrer dem aufzuladenden Material abgewandten Seite unter sich und mit der Spannungsquelle in Kontakt ge bracht.
Die Verbindung der einzelnen Entladungselektro den geschieht vorzugsweise mit einem mechanisch stabilen Verbindungselement. Dies kann etwa sein ein Metallstab, ein Metallband oder eine stabile Kunststoffverbindung mit leitender Seele. Es ist fer ner möglich, aus einem festen Metallstreifen die ein zelnen Spitzen mit bekannten mechanischen Mitteln herauszuarbeiten.
Die Entladungselektrode kann jedoch auch strei- fenförmig ausgebildet sein, wobei dieser Streifen in Richtung auf das aufzuladende Material eine Schneide trägt. Die Dicke des Streifens selbst spielt dabei keine kritische Rolle. Im Falle der Verwendung einer solchen Schneide ist naturgemäss die mechani sche Stabilität in grösserem Masse gegeben, als bei Verwendung von Spitzen, jedoch hat es sich auch hier als zweckmässig erwiesen, diese Schneide in einer mechanisch stabilen Fassung zu halten.
Naturgemäss können auch die verwendeten Spit zen und Schneiden in regelmässiger oder nicht regel- mässiger, abwechselnder Kombination verwendet werden.
Die Entladungselektrode muss - wie erwähnt etwa senkrecht zu dem aufzuladenden Material aus gedehnt sein, d. h. sie muss eine gewisse Länge besit zen. Diese Länge ist an sich nicht kritisch, sie kann 50 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 30 mm betra gen. In der Praxis haben sich besonders Längen von 20-25 mm bewährt. Falls Spitzen für die Entla dungselektrode Verwendung finden, kann der Ab stand zwischen diesen Spitzen untereinander in ge wissen Grenzen variiert werden.
Als besonders gün stig hat es sich erwiesen, diesen Abstand, der in Fig. 2 als dl bezeichnet wird, so zu wählen, dass er in bestimmter Beziehung zu den Abständen der Hilfs- elektroden zur Entladungselektrode (in Fig. 1 als d2 bezeichnet) und zum Abstand der Spitze der Entla dungselektrode zur Oberfläche des aufzuladenden Materials, (in Fig. 1 als d3 bezeichnet) steht. Diese Verhältnisse werden unten näher erläutert.
Für die Auswahl des Materials, aus dem die Ent ladungselektrode gefertigt werden kann, ist wichtig, dass dieses Material eine genügend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Besonders gute Ergebnisse wer den erzielt, falls rostfreier Stahl, Bronze oder Mes sing Verwendung finden. Es werden eine oder zwei Hilfselektroden angebracht. Diese Hilfselektroden müssen ebenfalls in senkrechter Richtung zum aufzu ladenden Material ausgedehnt sein. Unter ausgedehnt wird im vorliegenden Fall eine länglich gestreckte, flächige Form verstanden; diese kann z. B. durch ein Band oder einen Streifen realisiert werden. Die Dicke des Streifens ist nicht wesentlich.
Sie kann einen oder mehrere Millimeter betragen. Die Ausdehnung der Hilfselektroden in senkrechter Richtung zum aufzu ladenden Material sollte grösser als oder gleich 10 mm sein. Die Längsausdehnung der Hilfselektro den soll ungefähr die gleichen Masse aufweisen, wie die Ausdehnung der Entladungselektrode. Das Mate rial, aus dem die Hilfselektrode gefertigt wird, ist im Prinzip das gleiche, wie das bei der Entladungselek trode genannte. In der Praxis hat sich auch ein nicht leitender Träger mit einem leitfähigen Überzug be währt.
Der Abstand der Hilfselektroden zur Entladungs elektrode, der in Fig. 1 mit d2 bezeichnet ist, wird weiter unten näher definiert.
Ferner ist bei der Anordnung der Hilfselektrode zu beachten, dass deren untere Kante, d. h. die Kante, die dem aufgeladenen Material zugewandt ist, gleich oder vorzugsweise näher dem aufzuladenden Mate rial liegen soll, als die untere Kante der Entladungs elektrode. Auch die Hilfselektroden sind mit einer Spannungsquelle verbunden.
Es können eine oder zwei Hilfselektroden ange wendet werden. Falls zwei Hilfselektroden angewen det werden, ist es nicht nötig, dass beide die gleiche Form oder Gestalt besitzen, sie müssen jedoch nur die oben genannten Bedingungen erfüllen.
In einer besonderen Ausführungsform können die Hilfselektroden auch als Walzen ausgebildet sein, falls diese genügend grossen Durchmesser besitzen; diese sich vorzugsweise drehenden Walzen können zugleich die Funktion des Transportes des aufzula denden bzw. aufgeladenen Materials in Verbindung mit Gegenwalzen übernehmen. Bei dieser Ausfüh rungsform ist zu beachten, dass die Linie der walzen förmigen Hilfselektrode, die der Entladungselektrode am nächsten liegt, etwa in der Höhe der unteren Be grenzung dieser Entladungselektrode steht, d. h. die Walzenachse soll genau so hoch oder tiefer in Bezie hung zur aufzuladenden Schicht liegen als die untere Begrenzungslinie der Entladungselektrode.
Bei allen Anordnungen der Hilfselektroden ist neben ihrem Abstand zur Entladungselektrode zu beachten, dass diese nicht innerhalb des Raumes, der durch die etwa senkrechte Verlängerung der Entla dungselektrode zur aufzuladenden Schicht bestimmt wird, angeordnet sind, d. h. dass sie nicht in den Ent ladungsraum zwischen dem wirksamen Teil der Ent ladungselektrode und aufzuladendem Materail grei fen. Hierbei wird als wirksamer Teil der Entladungs elektrode das dem genannten Material zugekehrte Ende dieser Elektrode verstanden.
Als Gegenelektroden sind alle bekannten und da für verwendbaren Vorrichtungen brauchbar. Bei spielsweise kann die Gegenelektrode in einfacher Weise als Platte oder als mitlaufende oder ziehende Walze ausgebildet sein. Mehrere Gegenelektroden sind ebenfalls anwendbar. Auch die Gegenelektrode liegt an dem Pol einer Spannungsquelle bzw. sie ist geerdet. Die für die Aufladung erforderliche Spannung kann aus einer bekannten und für diese Zwecke ver wendbaren Gleichspannungsquelle genommen wer den. Der eine Pol dieser Spannungsquelle wird mit der Entladungselektrode verbunden, während der andere Fol mit den Hilfselektroden und mit der Ge genelektrode in Verbindung steht.
Der letztgenannte Pol liegt normalerweise an Erdpotential, wobei Hilfs elektroden und Gegenelektrode ebenfalls geerdet sind.
Für die Auswahl der Spannungshöhe an der Spannungsquelle bei einer bestimmten geforderten Aufladungshöhe der aufzuladenden Schicht sind in der Praxis meist noch die Form der Entladungselek trode, deren Ausbildung an der Spitze und der Ab stand des Endpunktes dieser Entladungselektrode von der aufgeladenen Schicht und von den Hilfselek troden zu beachten. Diese Verhältnisse sind nicht sehr kritisch; in der Praxis wird jedoch meist eine hohe Stromdichte anzustreben sein, die naturgemäss eine hohe Spannung erfordert.
Wie oben erwähnt, spielen die Abstände dl, d2 und d3 eine beachtenswerte Rolle für die Gleichmäs- sigkeit und Geschwindigkeit der Aufladung. Als all gemeines Prinzip soll gelten, dass d3 grösser ist als d2, und d2 grösser als d,. Hierbei werden bei der praktischen Durchführung gute Ergebnisse erzielt, falls der Abstand d3 etwa 10 mm oder grösser gewählt wird, vorzugsweise kann er zwischen 13 und 18 mm betragen.
Für die Beziehung von d3, d, und dl un tereinander hat sich ein Verhältnis von 3:2:1 als gün stig erwiesen. Von diesen Verhältniszahlen kann jedoch mehr oder minder abgewichen werden, jedoch muss stets beachtet werden, dass d2 und d3 nicht so klein. gewählt werden dürfen, dass Funkenüberschlag auftritt.
Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren können Isolierschichten, insbesondere photoelektrisch leitende Isolierschichten mit den oben genannten Vorteilen aufgeladen werden. Als geeignete Isolierschicht kommt prinzipiell jedes Die lektrikum in Frage, z. B. Kunststoffolien, wie duro- plastische und thermoplastische Materialien, z. B. Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polyester-Folien. Be sonders vorteilhaft lässt sich das vorliegende Verfah ren und die Vorrichtung für die Aufladung von pho toelektrisch leitenden Isolierschichten anwenden.
Als solche Photohalbleiterschichten werden im vorliegenden Falle alle in der Elektrophotographie dafür verwendeten und bekannten Schichten bezeich net. Diese können sowohl organische, als auch anor ganische Photoleiter mit und ohne Bindemittel, Zu sätze und Aktivatoren enthalten. Diese photoelek trisch leitenden Isolierschichten sind meist auf ein Trägermaterial aufgebracht, dessen Leitfähigkeit um einige Zehner-Potenzen höher liegt. Als solche Trä ger kann beispielsweise leitfähiges Papier und vor allem metallischer Träger, wie Aluminiumfolie, Ver wendung finden.
Falls auf Grund der stark flexiblen oder sonstigen an sich unerwünschten Materialeigenschaften der Isolierschicht eine Aufladung auf einer Flächenge- genelektrode nicht wünschenswert erscheint, kann in an sich bekannter Weise diese Schicht von beiden Seiten freihängend mit Ladungen von entgegenge setzten Vorzeichen besprüht werden. Für diesen Zweck kann die bisher beschriebene Entladungselek trode in gleicher Form auf beiden Seiten angeordnet sein.
Als zusätzlicher Vorteil des vorliegenden Verfah rens und der Vorrichtung ergibt sich, dass sich die Aufladungsstromstärke bzw. die Aufladungshöhe, in weiten Grenzen variieren lässt. Dieser Umstand ist in der Praxis von hoher Wichtigkeit, da die technischen Bedürfnisse verschiedene Aufladungshöhen bei vari ablen Stärken von Isolierschichten erforderlich machen.
Diese Variation kann bei der vorliegenden Apparatur und Verfahren auf dreierlei Weise bewirkt werden: 1. durch Veränderung des Abstandes zwischen der Spitze der Entladungselektrode und der Oberflä che der aufzuladenden Schicht, wobei mit steigendem Abstand die Stromstärke sinkt, 2. kann die Aufladungshöhe durch Veränderung der Durchlaufgeschwindigkeit der Isolierschicht vari iert werden. Die auf einem Flächenelement aufge sprühte Ladung ist in ihrer Höhe dabei umgekehrt proportional zur Grösse der Durchlaufgeschwindig- keit.
Als dritte Möglichkeit ergibt sich die Variation der Spannung. Die Vorrichtung erlaubt sowohl einen Betrieb mit einer Spannung, die nur ganz kurz ober halb derjenigen liegt, die nötig ist, um einen Entla dungsstrom fliessen zu lassen, als auch eine wesent lich höhere Spannung.
Bei Anwendung einer oder mehrerer dieser ge nannten Variationsmöglichkeiten zeigt sich als ent scheidender Vorteil, dass die Gleichmässigkeit der Aufladung voll erhalten bleibt.