DE2450869C3 - Vorrichtung zum Entwickeln eines elektrostatischen Ladungsbildes - Google Patents

Description

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)ic Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entwikn eines elektrostatischen Ladungsbildes aus einem ktrofotografischen Aufzeichnungsmaterial, das mit fe der Bildseite nach unten über einem pulverförmi-) Entwickler enthaltenden, oberseitig offenen Behälangeordnet oder geführt ist, mit einer elektromagnetischen Einrichtung, durch die der Entwickler gegen da; Ladungsbild geschleudert wird.

In der Elektrofotografie wird allgemein ein elektro statisches Ladungsbild auf einer lichtelektrisch leitfähi gen Schicht ausgebildet, indem in einem abgedunkelter Raum die Gesamtoberfläche der lichtelektrisch leiten den Schicht, die auf eine elektrisch leitende Platte aufgebracht ist. mittels Korona- oder Sprühentladun^ elektrostatisch aufgeladen und dann dieses Bildmustei der photoleitenden Schicht, das einem Bild entspricht lichtelektrisch belichtet wird, um dadurch eine Entladung zu bewirken.

Das Ladungsbild wird mit Hilfe eines Entwicklers zi einem sichtbaren Bild entwickelt. Ein aus Toner- u Eisenteilchen bestehendes Entwicklergemisch wird ζ. Β mit einem Magnetstab als Magnetbürste auf das elektrostatische Ladungsbild aufgebracht und det überschüssige Entwickler wieder vom Ladungsbilc entfernt. Dabei wirkt die Magnetbürste als Gegenelektrode (Etnwicklungselektrodc). um ein von dem elektrostatischen Ladungsbild ausgehendes intensives elektrisches Feld zur Entwicklungselektrode hervorzurufen. In diesem Fall des sogenannten Magneibürstenverfahrens tritt der beim sog. Kaskadenverfahrcn auftretende Kanteneffekt nicht auf.

Beim genannten Magnetbürstenverfahren ist eine große und komplizierte Entwicklungsvorrichtung erforderlich, um einen Magneten, der eine Magnetbürste bilden soll zu bewegen bzw. zu drehen. Der Grund weshalb das Magnetbürstenverfahren für die Entwicklung über eine größere Fläche hinweg — ohne Kanteneffekt — vorteilhaft ist. liegt darin, daß die Eisenträgerpulver elektrisch leitend sind und die Magnetbürste selbst als Entwicklungselektrode wirkt Dabei besteht jedoch der Nachteil, daß die auf der lichtelektrisch leitenden Schicht aufgebauten Ladungen durch die elektrisch leitenden Trägerteilchen abfließen und eine Schlcicrbildung auf dem Entwicklungsbild entstehen kann. Diese Wirkung ist häufig dann zn beobachten, wenn die lichtelektrisch leitende Schicht aus Selen besteht. Aus diesem Grund muß die elektrische Leitfähigkeit der Trägerteilchen so groß sein, daß sie die durch die Entwicklungselektrode hervorgebrachten Wirkungen niciit verhindert, aber auch so gering sein, daß ein Abfluß der auf det lichtelektrischen Schicht aufgebauten Ladungen verhindert wird. Diese Einstellung ist jedoch schwierig. Da zudem die elektrische Leitfähigkeit der Magnetbürste als Ganzes von der Tonermenge abhängt, ergeben sieh auch Schwierigkeiten bezüglich der Einstellung der elektrischen Leitfähigkeil des Trägers. Es ist nämlich sehr schwierig, unabhängig von der Tonermenge jederzeit eine stabile Charakteristik zu erzielen Weiterhin wird die Magnetbürste zum Zeitpunkt der Entwicklung unmittelbar mit der Oberfläche der lichtelektrisch leitenden Schicht in Berührung gebracht so daß sie sich abnützt oder verschmutzt. Insbesondere dann, wenn die Trägcrteilchen scharfkantig sind weiden auf der Oberfläche der lichtelektrisch leitenden Schicht viele Kratzer oder Maserungen gebildet, was zi einer Verschlechterung der Eigenschaften dicsci Schicht führt.

Es ist auch ein verbessertes Magnetbürstenverfahren bekannt, bei dem unter Verwendung eines Toners, dem eine magnetische Empfindlichkeit verliehen worden ist eine Bürste auf einem nichtmagnetischen Zylinder gebildet wird. Bei diesem Verfahren wird die Entwicklung durchgeführt, während ein elektrostatisches La-

dungsbild leicht mit der Bürste kontaktiert wird. Da jedoch keine Träger benutzt werden, is· der Flor der Bürste ungenügend. Um die Bürste dabei das elektrostatische Ladungsbild einwandfrei kontaktieren zu lassen, muß der Zwischenraum zwischen dem nichtmagnetisehen Zylinder und dem Ladungsbild wesentlich genauer eingestellt werden als beim vorher genannten Magnetbürsienverfahren. Dabei ist es im Gegensat/ zur Verwendung von magnetischen Trägern unmöglich, dem Toner eine ausreichende Ladung zu erteilen. Infolgedessen können auch keine scharfen Bilder hergestellt werden. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist bereits versucht worden, die Oberfläche eines magnetischen Toners mit elektrisch leitendem Kohlenstoff zu überziehen und ihn so elektrisch leitfähig zu machen. Auch in diesem Fall können die auf der lichtelektrisch leitenden Schicht ausgebildeten Ladungen streuen oder herausdringen, und es ist dabei schwierig, eine Bildübenragung durchzuführen.

Aus der DT-AS 12 17 211 isi schließlich eine Einrichtung an xerografischen Geräten zum Bepudcrn einer elektrofotografischen Stoffbahn, die über einen elektroskopisehes Pulver enthaltenden muldenförmigen Behälter hinweggeführt wird, bekannt. Mit Hilfe dieser bekannten Einrichtung soll eine gleichmäßigere Bestenbung der eiektmphotografischen Stoffbahn erzielt werden. Dm dies zu erreichen, ist der Behälter quer zur Stoffbahn schwingfähig gelagert und durch einen ihm zugeordneten, im Schall- oder Ullraschallbereich arbeitenden Vibrationsgenerator derart antreibbar, daß das elcktroskopische Pulver gegen die Stoffbahn gcsteubt wird. Anstelle des nvi Mittel- oder Hochfrequenzen angeregten Schwingsystems kann auch eine elektromagnetisch mit Netzfrequenz in Schwingungen versetzte oder willkürlich angestoßene Membran verwendet werden. Bei mit Eisenpulver untermischtem Entwickluiigspulver ist es ferner möglieh, zusätzlich die Besteubung durch magnetische Anziehungskräfte eines vorzugsweise innerhalb einer Trommel angeordneten Permanent- oder Elektromagneten zu bewirken. Allein durch eine magnetische Anziehungskraft läßt sich jedoch eine gleichmäßige Verteilung des Entwicklungspulvers mein realisieren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aulgabe besteht darin, eine Entwicklungsvorrichtung der eingangs definierten Art zu schaffen, die zum einen einfach aufgebaut ist und zum anderen eine äußerst gleichmäßige Verteilung des pulverförmigen Entwicklers auf dem elektrofotografischen Aufzeichnungsmi'.verial ermöglicht.

Ausgehend von der Vorrichtung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Entwickler aus permanentmagnetischen Tonerteilchen besteht, der Werkstoff der Behälterwandungen nicht magnetisch ist und ein mit der elektromagnetischen Einrichtung erzeugtes magnetisches Wechselfeld durch die Behälterwandung hindurch direkt auf die Tonerteilchen einwirkt und diese in Dreh- und Schleuderbewegungen versetzt.

Im Gegensatz, zu dem Bekannten wird also der pulverförmige Entwickler nicht mittelbar mit Hilfe von Eisenpulver in Bewegung gesetzt, sondern unmittelbar, so daß jedes einzelne Entwicklcrtcilchen in eine Dreh- und Schleuderbewegung versetzt wird und man dadurch eine äußerst gleichmäßige Verteilung des pulverförmi- fts gen Entwicklers auf dem elektrofotografischen Aufzeichnungsmaterial erreicht.

vorteilhafte Ausgestaltungen der Krim dung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 Schnittansichten durch Vorrichtungen zur Erläuterung des Wirkungsprinzips einer Entwicklungsvorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine Entwicklungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 4 einen Schnitt durch eine Entwicklungsvorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß F i g. 4.

Wenn gemäß F i g. 1 ein Elektromagnet mit wechselndem Magnetfeld an permanent magnetisierte Tonerteilchen 11 auf einer nichtmagnetischen Platte 12 herangebracht wird, springen die Tonerteilchen wahllos vergleichsweise hoch von dieser Platte ab, während sie sich drehen, um sich allmählich zur Seite des schwächeren Magnetfeldes zu verlagern und schließlich in einem schwächeren Magnetfeld zur Ruhe zu kommen, in welchem sie nicht gedreht werden, w ahrend die Tonerteilehen zurückspringen, erhalten sie eine elektrische Ladung. Die möglichen Gründe lür diese festgestellte Erscheinung sind nachstehend näher erläutert.

Wenn permanent magnetisierte Teilchen unter den Einfluß eines wechselnden Magnetfelds geraten und das magnetische Moment der Teilehen größer ist als d;-s Trägheitsmoment, drehen sich die Teilchen im allgemeinen synchron mit dem wechselnden Magnetical. Wiihrend dieser Drehung kollidieren die Veilchen miteinander, wobei sie voneinander und vom Boden eines Behälters abprallen und sich rcibungselektrisch aufladen. Wenn in einen vorbestimmten Abstand über dem Behälter eine Platte angeordnet ist. deren elektrostatisch aulgeladene Fläche nach unten weist, setzen sich die Tonerteilehen infolge der statischen Elektrizität zwischen dem Toner und der elektrostatisch aufgeladenen Fläche der Platte an dieser Fläche ab. Falls daher eine zweckmäßige Einrichtung vorgesehen wird, welche eine Verlagerung der Tonerteilchen zu einem schwächeren Magnetfeld verhindert, d. h. wenn beispielsweise ein nichtmagnetisches Gefäß mit bogenförmigen (I ig. 2) oder rechteckigem Querschnitt verwendet wird, prallen die Tonerteilchen unter dem Einfluß des wechselnden Magnetfelds immer im gleichen Bereich von der Behälterwand ab.

Die erfindungsgemäße Entwicklungsvorrichtung beruht auf der vorstehend erwähnten Erscheinung. Wenn nämlich ein wechselndes Magnetfeld an einen permanent magnetisieren, auf einem vorbestimmten Gegenstand befindlichen Toner angelegt wird, prallen die Tonerteilchen von dem Gegenstand zurück, d. h. sie werden abgestoßen, wiihrend sie elektrostatisch aufgeladen werden. Wenn daher eine mit einem lichtelektrisch leitenden Material beschichtete Plane, deren Oberfläche elektrostatisch aufgeladen ist, innerhalb des Abstoßungsbereichs der Tonerteilchen über dem Behälter angeordnet wird, setzen sich die Tonerteilchen auf dem auf der Platte gebildeten elektrostatischen Ladungsbild ab.

Die Sprunghöhe der Tonerteilchen hängt weitgehend von der Intensität des wechselnden Magnetfelds und der Magnetisierung (Br) der Tonerteilchen ab. Auch wenn die Magnetisierung der Tonerteilchen gering ist, können sie dann, wenn die Stärke des wechselnden Magnetfelds

groß genug ist, ein ausreichend großes Drehmoment erhalten, um in Drehung zu geraten. Wenn dagegen die Magnetisierung der Tonerteilehen selbst groll ist. können diese Teilchen auch unter einem schwächeren Magnetfeld aktiv abgestoßen bzw. zum Abprallen gebracht werden. Die Intensität des remancnten Magnetismus des Toners läßt sich ohne weiteres bestimmen, indem der Toner beispielsweise unter einem Druck von etwa 10 t/cm² zu^r Bildung eines Stabs verpreßt und dann die Magnetisicningskurvc dieses Stabs ausgewertet wird. Es wurden verschiedene Proben durch Änderung der Art und des Gehalts des magnetischen Materials im Toner hergestellt, wobei die Magnetisierung der Proben nach dem vorgenannten Verfahren bestimmt wurde. Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen der Magnetisierung und der Sprunghöhe des Toners erwiesen sich die Proben mit einer Remanenz von mindestens 10 Gauß als besonders vorteilhaft. Bei einer Restmagnetisierung des Toners von 10 Gauß und einer Teilchengröße des loners von 5-15 u konnte unter einem wechselnden Magnetfeld von 3000 Amperewindungen eine Sprunghöhe von mehreren Millimetern erreicht werden. Wenn bei einer Gesamtbreite der Entwicklungsvorrichtung von 30 cm (d. h.. daß eine Entwicklung an einer lichtelektrisch leitenden Platte von 30 cm Breite durchgeführt werden kann) ein rotierendes Dreiphascn-Magnctfcld als das wechselnde Magnetfeld angewandt wird, ist bei der Entwicklungsvorrichtung eine Leistungsaufnahme von etwa 20 W erforderlich, um ein Magnetfeld von 3000 Amperewindungen zu erzielen. Wird die Intensität des wechselnden Magnetfelds, durch Erhöhung der Leistungsaufnahme weiter erhöht, so können auch die Tonerteilchen mit einer Restmagnetisierung von weniger als 10 Gauß bis zu einer vorbestimmten Höhe von der Behälterwand abgestoßen werden. Bei Anlegung eines Magnetfelds von 3000 Amperewindungen an Tonerteilchen mit einer Restmagnetisierung von etwa 500 Gauß wurden die Teilchen bis zu einer Höhe von mehr als 10 mm abgestoßen. LJm das Abprallen der Tonerteilchen zu erleichtern und eine hohe Fluidität derselben zu gewährleisten, sollten sie vorzugsweise eine Kugclform besitzen. Der Toner sollte außerdem vorzugsweise eine Teilchengröße von mehr als 5 μ besitzen, um eine Koagulation der Tonerteilchen zu verhindern.

Im folgenden ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Γ i g. 3 erläutert.

Permanent magnctisierte Tonerteilchen 21 werden in einen oberseitig offenen Behälter 20 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, z. B. Aluminium, Messing od. dgl. eingegeben. Unter dem Behälter befindet sich ein Elektromagnet 2Z der an eine Stromquelle mit einer Einphasen-Wechselstromquelle 23 angeschlossen ist. Durch den von der Stromquelle 23 gelieferten Wechselstrom wird ein in F i g. 3 in gestrichelten Linien angedeutetes wechselndes Magnetfeld erzeugt. Eine in die durch den Pfeil angedeutete Richtung bewegbare Platte 24 wird in einem vorbestimmten Abstand über dem Behälter 20 angeordnet. Die an sich bekannte Platte 24 weist eine elektrisch leitende Grundschicht 25 und eine lichtelektrisch leitende Schicht 26 auf. Auf der Schicht 26 wird nach einem bekannten Verfahren ein elektrostatisches ladungsbild ausgebildet. Wenn durch den Elektromagneten 22 ein wechselndes Magnetfeld induziert wird, werden die im Behälter 20 enthaltenen Tonerteilchen auf vorher beschriebene Weise abgestoßen, so daß sie sich unter Hervorbnngunj? der Entwicklung auf dem Ladungsbild der lichtelektrisch leitenden Schicht 26 absetzen. Zur Erhöhung der Aufladung der Tonerteilchen ist auf die Innenfläche des Behälters 20 vorzugsweise ein elektrisch leitendes Material, wie Aluminium aufgetragen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 sind drei Elektromagnete 22 unter einem den Toner aufnehmenden Behälter 20 angeordnet. An diese drei Elektromagnete werden Wechselströme mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von z. B. 120" angelegt. Infolgedessen wird durch die Kombination der drei Elektromagnete ein z.vklisch umlaufendes Magnetfeld erzeugt, unter dessen Einfluß die im Behälter 20 befindlichen Tonerteilchen 21 von der Behälterwand abprallen und entgegengesetzt zu diesem rotierenden Magnetfeld verlagert und auf einem elektrostatischen Ladungsbild abgelagert werden, das auf der lichtelektrisch leitenden Schicht 26 einer Platte gebildet wurde, welche in einem vorbestimmten Absland über dem Behälter angeordnet ist und in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung gedreht wird. Hierbei wird eine Entwicklung durchgeführt.

Obgleich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein Dreifaeh-Elektromagnct dargestellt ist, können auch mehrere Dreifachmagnete so nebeneinander angeordnet weiden, daß die Dreiphascn-Wechselspannungcn sequentiell an sie anlegbar sind. Bei dieser Konstruktion kann der Entwicklungsbereich verlängert weiden. Wenn zwei der Phasen der Dreiphasen-Wrchselspannungen mit einer zweckmäßigen Frequenz umgeschaltet werden, um eine Verlagerung der Tonerteilchen aus dem Bereich des rotierenden Magnetfelds zu verhindern, wird die Richtung des rotierenden Magnetfelds mit dieser Frequenz umgekehrt, so daß die Tonertcilchen hin- und hciverlagert werden können. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird eine Dreiphascn-Wechselstromquelle angewandt. Wenn jedoch die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 5 angewandt wird, kann ein rotierendes Magnetfeld erzeugt werden, ohne daß eine spezielle Stromquelle erforderlich wäre, indem beispielsweise die gleiche Einphasen-Wechselstromquelle wie für das Kopiergerät benutzt wird. Bei der Anordnung gemäß F i g. 5 sind vier Elektromagnete 22 unter einem Behälter 20 angeordnet, wobei der erste und der dritte Elektromagnet so mit einer Wcchsclstromquelle 23 verbunden sind, daß an sie Spannungen mit einer Phasenverschiebung von 180' anlegbar sind, während der zweite und der vierte Elektromagnet mit der Wechselstromquelle über einen elektrischen Bauteil

30. etwa einen Kondensator, eine Drosselspule od. dgl. verbunden sind, so daß sie eine 90 -Phasenverschiebung gegenüber der erstgenannten Spulen besitzen. Wenn mehrere Vierfachsätze von Elektromagneten parallelgeschaltet werden, kann der Entwicklungsbereich verlängert werden. Auch in diesem Fall können die Tonerteilchen durch Umschalten der angelegten Spannungen mit einer passenden Frequenz hin- und herverlagert werden.

Der erwähnte Toner kann z. B. dadurch hergestellt

werden, daß in ein gefärbtes thermoplastisches Harz unter Erwärmung nadelartige Magnetpulver aus Fe₃ O₄ für Magnetband eingeknetet werden, deren durchschnittliche Teilchengröße auf 03 μ eingestellt wurde, daß die Masse gemahlen und auf eine vorgeschriebene Teilchengröße eingestellt wird und diese Teilchen magnetisiert werden, so daß sie eine Koerzitivkraft von 400 Oersted und eine Restmagnetisierung von 500 Gauß besitzen. Die Restmagnetisierung ist dabei praktisch

dem Mischungsverhältnis des magnetischen Materials mit dem Harz proportional. Wenn die Menge des magnetischen Materials etwa 50 Gew.-°/o beträgt, liegt die Restmagnetisierung des Toners bei etwa 250 Gauß, während sie bei einer Menge von 20 Gew-% etwa 120 GauB beträgt. Bei einer Menge von 5 Gew.-% betragt die Restmagnetisierung etwa 25 Gauß. Als magnetisches Material für den Toner kann neben dem ijenannten Fcj O4 ein Material für einen Permanentmagneten verwendet werden, etwa KS-Stahl, Alnico-Kohlenstoffstahl, Wolframstahl, j'-FcjOj, Seltene Erden usw. Als thermoplastisches Harz können Epoxy-, Styrol-,

Vinylchlorid-, Acryl- oder Polyesterharz und Mischpolymere davon verwendet werden.

Da bei der vorstehend beschriebenen Entwicklungsvorrichtung die Tonerteilchen durch die Magncteinrich lung durch Abstoßung bewegt werden, kann eint bessere Entwicklung gewährleistet werden, ohne daf der Abstand zwischen der lichtelektrisch leitendet Schicht und der Behälterwandung sehr genau leslgeleg zu werden braucht, indem die abgestoßenen Tonerteil cheii auf einem elektrostatischen Ladungsbild abgela gcrt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

909 621,

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Entwickeln eines elektrostatischen Ladungsbildes auf einem elektrofotografisehen Aufzeichnungsmaterial, das mit der Bildseite nach unten über einem pulverförmigen Entwickler enthaltenden, oberseitig offenen Behälter angeordnet oder geführt ist, mit einer elektromagnetischen Einrichtung, durch die der Entwicklei gegen das Ladungsbild geschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Entwickler aus permanent-magnetischen Tonerteilchen (21) besteht, der Werkstoff der Behälterwandungen (2C) nichtmagnetisch ist und ein mit der elektromagnetischen Einrichtung (22, 23) erzeugtes magnetisches Wechselfeld durch die Behälterwandung hindurch direkt auf die Tonerteilchen einwirkt und diese in Dreh- und Schleuderbewegungen versetzt.

2. Vorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das magnetische Wechselfeld erzeugende Einrichtung einen unter dem Behälter (20) angeordneten Elektromagneten (22) und eine Wechselstromquelle (23) /ur Anlegung von Wechselspannungen an den Elektre magneten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter jus einem elektrisch leitenden Werkstoff ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die das magnetische Wechselfeld erzeugende Einrichtung mehrere unter dem Behälter angeordnete Elekiromagnete und eine Stromquellenschaltüiig /ur Anlegung einer Wechselspannung an die einzelnen Elcktronagnete aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elekiromagnete in mindestens eine Gruppe aus drei Elektromagneten unterteilt sind und daß die Stromquellcnschaltung eine Dreiphasen-Stromquelle aufweist, mit welcher an die drei Elektromagnete Wechselspannungen anlegbar sind. die eine gegenseitige Phasenverschiebung von 120° besitzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete in mindestens eine Gruppe aus zwei Elektromagneten unterteilt sind und daß die Stroniquellenschaltung eine Einphasen-Wechselstromquelle sowie eine Schaltung zur Verbindung der Elektromagnete mit der Stromquelle in der Weise aufweist, daß einer der Elektromagnete der Gruppe mit einer Wechselspannung gespeist wird, die um .τ/2 phasenverschoben ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerteilchen aus einem gefärbten Kunstharz mit eingebetteten permanentmagnetisierbarem Material bestehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Toner eine Restmagnetisierung von mindestens lOGauß besitzt.