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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Entwicklungsvorrichtung für elektrophotographisches Drucken. Genauer gesagt
bezieht sich die Erfindung auf eine Antragswalze als Teil eines
spülfreien Entwicklungsverfahrens.
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Bei den gut bekannten Verfahren des elektrophotographischen
Druckens wird eine ladungenzurückhaltende Oberfläche,
typischerweise als Photorezeptor bekannt, elektrostatisch geladen
und dann einem Lichtmuster eines Vorlagenbildes ausgesetzt, um
selektiv die Oberfläche in Übereinstimmung damit zu entladen.
Das sich ergebende Muster geladener und entladener Bereiche
auf dem Photorezeptor bildet ein elektrostatisches
Ladungsmuster, das als latentes Bild bekannt ist und mit dem
Vorlagenbild übereinstimmt. Das latent Bild wird entwickelt, indem es
mit einem fein geteiltem, elektrostatisch anziehbarem Pulver
in Berührung gebracht wird, das als "Toner" bekannt ist. Der
Toner wird in den Bildbereichen durch die elektrostatische
Ladung auf der Photorezeptoroberfläche gehalten. Somit wird ein
Tonerbild in Übereinstimmung mit einem Lichtbild der Vorlage
erzeugt, die wiedergegeben werden soll. Das Tonerbild wird
dann auf einen Träger oder ein Halteelement (bspw. Papier)
übertragen, und das Bild wird darauffestgelegt, um eine
dauerhafte Aufzeichnung des Bildes zu bilden, das wiedergegeben
werden soll. Nach der Entwicklung wird überschüssiger Toner,
der auf der ladungenzurückhaltenden Oberfläche zurückgelassen
worden ist, von der Oberfläche gereinigt. Das Verfahren ist
zweckmäßig zum Kopieren mit einer Lichtlinse oder zum Drucken
von elektronisch erzeugten oder gespeicherten Vorlagen, wie
mit einem Rasterausgangabstaster (ROS), wo eine geladene
Oberfläche bildweise auf vielfältige Art entladen werden kann.
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Bei dem Verfahren des elektrophotographischen Druckens ist der
Schritt, den Toner zu dem latenten Bild auf dem Photorezeptor
zu fördern, als "Entwicklung" bekannt. Das Ziel der wirksamen
Entwicklung eines latenten Bildes auf dem Photorezeptor ist,
Tonerteilchen zu dem latenten Bild mit einer gesteuerten Rate
zu fördern, so daß die Tonerteilchen wirksam elektrostatisch
an den geladenen Bereichen in dem latenten Bild haften. Eine
allgemein verwendete Technik zur Entwicklung ist die
Verwendung eines zweikomponentigen Entwicklermaterials, das
zusätzlich zu den Tonerteilchen, die an dem Photorezeptor anhaften
sollen, eine Menge an magnetischen Trägerteilchen umfaßt. Die
Tonerteilchen haften reibungselektrisch an den relativ großen
Trägerteilchen, die typischerweise aus Stahl hergestellt sind.
Wenn das Entwicklermaterial in einem Magnetfeld angeordnet
wird, bilden die Trägerteilchen mit den Tonerteilchen darauf,
das was eine Magnetbürste genannt wird, worin die
Trägerteilchen relativ lange Ketten bilden, die den Fasern einer Bürste
ähneln. Diese Magnetbürste wird typischerweise mittels einer
"Entwicklungswalze" erzeugt. Die Entwicklungswalze ist
typischerweise in der Form einer zylindrischen Hülse, die sich um
eine feste Anordnung von Permanentmagneten dreht. Die
Trägerteilchen bilden Ketten, die sich von der Oberfläche der
Entwicklungswalze erstrecken und die Tonerteilchen sind
elektrostatisch an die Ketten von Trägerteilchen angezogen. Wenn die
Magnetbürste in einer Entwicklungszone nahe dem latenten
Ladungsbild auf einem Photorezeptor eingebracht wird, bewirkt
die elektrostatische Ladung auf dem Photorezeptor, daß die
Tonerteilchen fort und zu dem Photorezeptor gezogen werden.
Eine andere bekannte Entwicklungstechnik beinhaltet einen
einkomponentigen Entwickler, d.h., einen Entwickler, der
vollständig aus Toner besteht. In einem allgemeinen,
einkomponentigen System weist jedes Tonerteilchen eine elektrostatische
Ladung (damit die Teilchen an dem Photorezeptor anhaften
können) und magnetische Eigenschaften auf (damit die Teilchen
magnetisch zu dem Photorezeptor gefördert werden können). Statt
magnetische Trägerteilchen zu verwenden, um eine Magnetbürste
zu bilden, werden die magnetisierten Tonerteilchen veranlaßt,
unmittelbar an einer Entwicklungswalze anzuhaften. In der
Entwicklungszone nahe dem latenten Ladungsbild auf einem
Photorezeptor
bewirkt die elektrostatische Ladung auf dem
Photorezeptor, daß die Tonerteilchen von der Entwicklungsrolle fort und
auf den Photorezeptor gezogen werden.
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Eine bedeutende Abänderung des allgemeinen
Entwicklungsprinzips ist das Konzept der "reinigungsfreien" Entwicklung. Der
Zweck und die Funktion der reinigungsfreien Entwicklung sind
vollständiger beschrieben in US-A-4,868,600 von Hays u.a., US-
A-4,984,019 von Folkins, US-A-5,010,367 von Hays oder
5,063,875 von Folkins u.a.. In einem reinigungsfreien
Entwicklungssystem wird Toner zu dem Photorezeptor mittels
elektrischer Wechselfelder gefördert, die durch beabstandete
Elektrodenstrukturen, allgemein in der Form von sich über den
Photorezeptor erstreckenden Drähten, die innerhalb des Spalts
zwischen einer Antragswalze und dem Photorezeptor angeordnet
sind, zugeführt werden. Weil es keine physikalische Berührung
zwischen der Entwicklungsvorrichtung und dem Photorezeptor
gibt, ist die reinigungsfreie Entwicklung zweckmäßig für
Vorrichtungen, in denen unterschiedliche Arten Toner demselben
Photorezeptor zugeführt werden, wie bei der "Dreiniveau" oder
"Wiederaufladen, Belichten und Entwickeln" Hervorhebungs- oder
Bild-auf-Bild-elektrophotographischen-Farbbilderzeugung.
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Eine typische "hybride" reinigungsfreie
Entwicklungsvorrichtung schließt in einem Entwicklungsgehäuse eine
Transportwalze, eine Antragswalze und eine Elektrodenstruktur ein. Die
Transportwalze arbeitet auf eine Weise ähnlich einer
Entwicklungswalze, fördert aber, statt Toner unmittelbar zu dem
Photorezeptor zu transportieren, Toner zu einer Antragswalze, die
zwischen der Transportwalze und dem Photorezeptor angeordnet
ist. Die Transportwalze ist elektrisch relativ zu der
Antragswalze vorgespannt, so daß die Tonerteilchen von der
Transportwalze zu der Antragswalze angezogen werden. Die Antragswalze
fördert des weiteren Tonerteilchen von der Transportwalze zu
dem Photorezeptor. In dem Spalt zwischen der Antragswalze und
dem Photorezeptor sind Drähte, die die Elektrodenstruktur
bilden. Während der Entwicklung des latenten Bildes auf dem
Photorezeptor
werden die Elektrodendrähte relativ zu der
Antragswalze wechselstrommäßig vorgespannt, um den Toner von dort
abzulösen, damit eine Tonerpulverwolke in dem Zwischenraum
zwischen der Antragswalze und dem Photorezeptor gebildet wird.
Das latente Bild auf dem Photorezeptor zieht die Tonerteilchen
von der Pulverwolke an, wobei ein Tonerpulverbild darauf
gebildet wird.
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Eine andere Art der reinigungsfreien Entwicklung ist die
einkomponentige, reinigungsfreie Entwicklung, die als
reinigungsfreie SCD bekannt ist. Bei der reinigungsfreien,
einkomponentigen Entwicklung erzeugen die Antragswalze und die
Elektrodenstruktur eine Tonerpulverwolke in gleicher Weise wie die
oben beschriebene reinigungsfreie Entwicklung, wobei aber,
statt eine Magnetbürste zu verwenden, um Tonerteilchen von dem
Tonervorrat in dem Entwicklungsgehäuse zu der Antragswalze zu
fördern, ein Teil der Antragswalze unmittelbar einem Vorrat an
einkomponentigem Entwickler ausgesetzt wird, der reiner Toner
ist. Die reinigungsfreie, einkomponentige Entwicklung schafft
die gleichen Vorteile wie in dem grundsätzlichen Fall der
hybriden, reinigungsfreien Entwicklung und ist bei Gelegenheiten
zweckmäßig, wo die Größe, das Gewicht oder der
Energieverbrauch der Vorrichtung von besonderer Bedeutung sind.
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Bei jeder Art reinigungsfreier Entwicklungsvorrichtung ist
eines der bedeutendsten Elemente die Antragswalze, die die
Tonerteilchen zu den Drähten fördert, die die
Elektrodenstruktur in dem Spalt zwischen der Förderwalze und dem
Photorezeptor bilden. Grob gesagt kann eine Antragswalze als irgendeine
Walze definiert werden, bei der reine Tonerteilchen an ihrer
Oberfläche anhaften sollen. Um in einer gewerblich praktischen
Ausführungsform der reinigungsfreien Entwicklung zu arbeiten,
muß eine Antragswalze gewisse Anforderungen erfüllen. Im
allgemeinen sollte eine Antragswalze einen leitenden Kern
einschließen und eine teilweise leitende Oberfläche festlegen, so
daß die Tonerteilchen elektrostatisch an der Oberfläche in
einer vernünftig steuerbaren Weise anhaften. Bei der hybriden,
reinigungsfreien Entwicklung liefert die Antragswalze eine
elektrostatische "Übermittlung" zwischen dem Photorezeptor und
der Transportwalze. Die Bereitstellung dieser Übermittlung und
der reinigungsfreie Spalt dienen dazu, unerwünschte
Wechselwirkungen zwischen dem Entwicklungssystem und dem
Photorezeptor zu verhindern, insbesondere mit einem vorentwickelten,
latenten Bild, das bereits auf dem Photorezeptor ist, bevor das
in Frage stehende latente Bild entwickelt wird. Dieses Fehlen
einer Wechselwirkung macht die reinigungsfreie Entwicklung in
Situationen bevorzugt, wo ein einziger Photorezeptor mehrere
Male bei einem einzelnen Verfahren entwickelt wird, wie bei
der elektrostatographischen Farb- oder Farbhervorhebungs-
Bilderzeugung.
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Die Antragswalze muß des weiteren erwünschte
Abnutzungseigenschaften aufweisen, so daß ihre Oberfläche nicht durch die
benachbarten Oberflächen innerhalb der Vorrichtung abgenutzt
wird, wie der Magnetbürste einer Transportwalze. Des weiteren
sollte die Oberfläche der Antragswalze ohne Abweichungen sein,
wie Nadellöcher, die im Laufe des Herstellungsvorgangs der
Antragswalze erzeugt worden sind. Der Grund, daß diese kleinen
Oberflächenunvollkommenheiten vermieden werden müssen, ist,
daß irgendwelche Unvollkommenheiten, ob beim
Herstellungsvorgang erzeugte Nadellöcher oder im Laufe der Verwendung
erzeugte Abnutzungen, elektrostatische "heiße Punkte" ergeben
können, die durch einen Bogenüberschlag in der Nähe solcher
strukturellen Unvollkommenheiten hervorgerufen werden.
Schließlich kann die bedeutendste Anforderung an die
Antragswalze durch den Ausdruck zusammengefaßt werden "gleich-förmige
Leitfähigkeit"; die Oberfläche der Antragswalze muß teilweise
leitfähig in bezug auf einen leitfähigeren Kern sein, und
diese Teilleitfähigkeit auf der Oberfläche sollte über den
gesamten Oberflächenbereich gleichförmig sein. Andere
physikalischen Eigenschaften der Antragswalze, wie das mechanische
Anhaften von Tonerteilchen, sind auch wichtig, sind aber
allgemein nicht so qualitativ bestimmbar beim Konstruieren der
Entwicklungsvorrichtung. Des weiteren sollte der
Leitfähigkeitsbereich
für den Dienst einer Antragswalze gut gewählt werden,
um den Wirkungsgrad einer Antragswalze im Hinblick auf
irgendeine Anzahl von Konstruktionsparametern zu maximieren, wie
Energieverbrauch, mechanische Steuerung und
Entladezeitkonstante der Oberfläche.
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US-A-3,950,089 offenbart eine Entwicklungsvorrichtung, in der
eine Oberfläche zur direkten Förderung von elektrisch
leitendem Toner einen dielektrischen Überzug mit einer Dicke von 25-
625 µm (1-25 Tausendstel Inch) mit einem spezifischen
elektrischen Widerstand von 10&sup7; bis 10&sup9; Ohm cm umfaßt.
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US-A-4,034,709 offenbart eine Entwicklungsvorrichtung, in der
eine Oberfläche zum unmittelbaren Fördern von Toner
Styrenbutadien mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10²-
10&sup6; Ohm cm umfaßt.
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US-A-4,774,541 offenbart eine Entwicklungsvorrichtung, in der
eine Oberfläche zum unmittelbaren Fördern von Toner mit Ruß
mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von
10&supmin;&sup6;-10&supmin;¹&sup0; (Ohm cm)&supmin;¹ dotiert ist.
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Im Stand der Technik gibt es viele Fälle, bei denen die
physikalischen Eigenschaften von Phenolharz für verschiedene Zwecke
ausgenutzt werden, die sich auf die Entwicklung von
elektrostatischen Ladungsbildern beziehen. US-A-4,827,305 offenbart
eine Entwicklungsvorrichtung, in der eine Transportwalze
Begrenzungsrollen einschließt, die an den Enden davon angebracht
und aus Phenolharz hergestellt sind.
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US-A-4,989,044 offenbart ein anderes einkomponentiges
Entwicklungssystem, in dem die Hülse einer Transportrolle eine äußere
Beschichtungsschicht aufweist, die aus einem Harzmaterial
hergestellt ist, wie Phenolharz, in der elektrischleitende, feine
Teilchen verteilt sind.
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US-A-4,990,963 offenbart eine Transportwalze, die aus einer
Harzlösung von 17% Phenolharz hergestellt ist.
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US-A-5,054,419 offenbart eine Entwicklungsvorrichtung, worin
eine zylindrische Stange verwendet wird, um die Tonermenge auf
der Oberfläche einer Transportwalze zu dosieren. Bei einer
Ausführungsform ist die zylindrische Stange aus Phenolharz
hergestellt.
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US-A-5,099,285 offenbart Versuche mit einer Transportwalze zur
einkomponentigen Entwicklung, bei der die äußere Schicht bei
einer Ausführungsform aus Phenolkunststoff hergestellt ist.
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US-A-5,069,875 offenbart eine Vorrichtung, die ein latentes
Ladungsbild entwickelt, wobei eine Transportwalze
Entwicklermaterial von einer Kammer zu einer Antragswalze befördert, die
wiederum das Entwicklermaterial zu dem latenten Bild
befördert. Eine Wechselspannung wird zwischen die Transport- und
die Antragswalze angelegt, um die Übertragung des
Entwicklermaterials zu der Antragswalze zu beschleunigen.
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JP-A-3/284771 offenbart eine Entwicklungswalze, die einen
Spindelkörper umfaßt, über dem eine leitende Schicht und eine
Widerstandsschicht vorgesehen sind, die beide eine
Matrixkomponente aus Phenolharz umfassen, wobei die Matrixkomponenten
so dotiert sind, daß der elektrische Widerstandswert der
Widerstandsschicht größer als der der leitenden Schicht ist.
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JP-A-1/15770 offenbart eine andere Entwicklungswalze, die eine
leitende Kunstharzschicht umfaßt, die im wesentlichen aus
einem metallphthalocyanin-gebundenem Phenolharz besteht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur
Entwicklung eines latenten Ladungsbildes geschaffen, umfassend
ein Gehäuse, das eine Kammer zum Aufbewahren eines Vorrats an
Entwicklermaterial darin begrenzt; und eine Antragswalze, die
mindestens teilweise in der Kammer des genannten Gehäuses
angebracht ist, wobei die genannte Antragswalze fähgig ist,
Tonermaterial zu dem latenten Bild vorwärtszubewegen, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrische Entladungszeitkonstante
der Oberfläche der Antragswalze kleiner als 300 Mikrosekunden
ist.
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Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
wird eine Antragswalze geschaffen, die eine nichtmetallische,
äußere Schicht aufweist, wobei die Dicke der äußeren Schicht
dividiert durch deren dielektrische Konstante kleiner als
gewisse andere Parameter des Entwicklungssystems ist.
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Eine Entwicklungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird nun in
beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer hybriden,
reinigungsfreien Entwicklungsstation ist, die eine
Antragswalze gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt; und
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Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht einer einkomponentigen,
reinigungsfreien Entwicklungsstation ist, die eine
Antragswalze gemäß der vorliegenden Erfindung
einschließt.
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In soweit das Gebiet des elektrophotographischen Druckens gut
bekannt ist, werden die verschiedenen Verarbeitungsstationen,
die in einem Druckgerät verwendet werden, nicht im einzelnen
beschrieben.
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Die Entwicklungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung bildet
Teil eines elektrophotographischen Druckgeräts, das einen
Photorezeptor 10 in der Form eines Bandes einschließt, das eine
photoleitende Oberflächenschicht auf einem elektroleitenden
Träger aufweist.
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Auf Fig. 1 Bezug nehmend schließt das Entwicklungssystem ein
Gehäuse 38 ein, das eine Kammer zum Aufbewahren eines Vorrats
an Entwicklermaterial 47 darin begrenzt. Am Boden des Gehäuses
38 ist eine horizontale Förderschnecke angeordnet, die
Entwicklermaterial gleichförmig entlang der Transportwalze 46
verteilt, so daß der unterste Teil der Walze 46 stets in einen
Körper von Entwicklermaterial eingetaucht ist.
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Die Transportwalze 46 umfaßt einen ortsfesten, mehrpoligen
Magneten 48, der eine eng beabstandete Hülse 50 aus
nichtmagnetischem Material, vorzugsweise Aluminium, aufweist, die so
konstruiert ist, daß sie sich um den magnetischen Kern 48 in
der durch den Pfeil angegeben Richtung dreht. Weil das
Entwicklermaterial magnetische Trägerteilchen enthält, ist die
Wirkung der Hülse, die sich durch die stationären Magnetfelder
dreht, daß das Entwicklermaterial zu der äußeren der Hülse
angezogen wird. Eine Abstreifklinge 62 wird verwendet, die
radiale Tiefe des Entwicklers zu beschränken, der an der Hülse
50 angezogen bleibt, wenn sie sich zu dem Spalt 68 zwischen
der Transportwalze 46 und der Antragswalze 40 bewegt. Die
Antragswalze wird auf einer bestimmten Spannung durch eine
Gleichstromversorgung 76 gehalten, um eine dünne Schicht von
Tonerteilchen der Transportwalze 46 in dem Spalt 68 zu der
Oberfläche der Antragswalze 40 anzuziehen. Entweder ist die
gesamte Antragswalze 40 oder mindestens eine Umfangsschicht
von ihr vorzugsweise aus einem Material, das ein geringes
elektrisches Leitvermögen hat, wie es im einzelnen unten
erläutert wird. Das Material muß ausreichend leitend sein, um
irgendeinen Aufbau an elektrischer Ladung mit der Zeit zu
verhindern, und dennoch muß seine Leitfähigkeit niedrig genug
sein, um eine Sperrschicht zu bilden, um ein Kurzschließen
oder Durchbruch der Magnetbürste zu der Antragswalze zu
verhindern.
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Die Transportwalze 46 ist durch eine Gleichspannungsquelle 78
und eine Wechselspannungsquelle 80 vorgespannt. Die Wirkung
des elektrischen Gleichfeldes ist, das Anziehen des
Entwicklermaterials
zu der Hülse 50 zu verstärken. Man nimmt an, daß
die Wirkung des elektrischen Wechselfeldes, das entlang der
Transportwalze in dem Spalt 68 angewendet wird, die
Tonerteilchen von ihrer anhaftenden und reibungseleketrischen Bindung
an den Trägerteilchen zu lockern. Die Wechselspannungsquelle
80 kann entweder an die Transportwalze, wie es in Fig. 1
gezeigt ist, oder unmittelbar an die Antragswalze in Reihe mit
der Versorgung 76 angelegt werden.
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Es ist herausgefunden worden, daß ein Wert bis zu 200 Veff für
den Ausgang der Quelle 80 für den erwünschten Pegel des
Wiederaufladewirkungsgrads von Tonerteilchen ist, der erzielt
werden soll. Der tatsächliche Wert kann empirisch eingestellt
werden: in der Theorie könnte irgendein Wert bis zu einer
Spannung von ungefähr 400 Veff (effek-tiver Mittelwert) sein.
Die Quelle sollte bei einer Frequenz von ungefähr 2 kHz sein.
Wenn die Frequenz zu niedrig ist, d.h., weniger als 200 Hz,
erscheinen auf den Kopien Bänder. Wenn die Frequenz zu hoch
ist, bspw. mehr als 15 kHz, würde das System wahrscheinlich
arbeiten, aber die Elektronik wird wegen der kapazitiven
Lastverluste teuer.
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Die Elektrodendrähte 41 sind in dem Raum zwischen dem Band 10
und der Antragswalze 40 angeordnet. Ein Paar Elektrodendrähte
ist sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der
Längsachse der Antragswalze 40 erstreckend gezeigt. Die
Elektrodendrähte sind aus einem oder mehreren dünnen (d.h. 50 bis
100 µm Durchmesser) Stahldrähten hergestellt, die eng von der
Antragswalze 40 beabstandet sind. Der Abstand zwischen den
Drähten und der Antragswalze 40 ist ungefähr 25 µm oder die
Dicke der Tonerschicht, die auf der Antragswalze 40 gebildet
wird. Die Drähte sind von der Antragswalze durch die Dicke des
Toners auf der Antragswalze von selbst beabstandet. Hierfür
werden die Enden der Drähte durch das obere Ende von
Lagerblöcken gehalten, die auch die Antragswalze zur Drehung
halten. Die Drahtenden sind so angebracht, daß sie etwas
unterhalb einer Tangente an die Oberfläche einschließlich der
Tonerschicht der Antragskonstruktion sind. Das Befestigen der
Drähte auf eine solche Weise macht sie gegenüber einer
Unrundheit der Walze aufgrund ihrer Selbstbeabstandung
unempfindlich. Eine elektrische Wechselvorspannung wird an die
Elektrodendrähte durch eine Wechselspannungsquelle 84 angelegt. Die
angelegte Wechselspannung erzeugt ein elektrostatisches
Wechselfeld zwischen den Drähten und der Antragswalze, das zum
Ablösen von Toner von der Oberfläche der Antragswalze und zum
Bilden einer Tonerwolke um die Drähte herum wirksam ist, wobei
die Höhe der Wolke so ist, daß sie mit dem Band 10 nicht
wesentlich in Berührung ist.
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In dem Bereich, wo das photoleitende Band 10 am nahesten an
der Antragswalze 40 vorbeiläuft, stütz ein ortsfester Schuh 82
an der Innenoberfläche des Bandes ab. Die Lage des Schuhs in
bezug auf die Antragswalze stellt den Abstand zwischen der
Antragswalze und dem Band her. Die Lage des Schuhs ist
einstellbar, und er wird so eingestellt, das der Abstand zwischen der
Antragswalze und dem photoleitfähigen Band vorzugsweise
ungefähr 0,4 mm ist.
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Ein weiterer Faktor, der als bedeutend herausgefunden worden
ist, ist die Drehzahl, mit der sich die Hülse 50 in Bezug zu
der Drehzahl der Antragswalze 40 dreht. In der Praxis würden
beide von dem gleichen Motor angetrieben, wobei aber ein
Getriebe in das Antriebssystem eingeschlossen würde, so daß die
Hülse 50 mit einer merklich schnelleren
Oberflächengeschwindigkeit als die Antragswalze 40 angetrieben wird. Ein
Transportwalzen: Antragswalzen-Geschwindigkeitsverhältnis von 3:1
hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, und selbst
höhere Geschwindigkeiten können bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen
kann das Geschwindigkeitsverhältnis so niedrig wie 2:1 sein.
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Fig. 2 ist eine vereinfachte Draufsicht auf eine
einkompontige, reinigungsfreie Entwicklungsstation. Die besondere
Konstruktion der einkomponentigen Station in Fig. 2 ist allgemein
in US-A-5,128,723 geoffenbart, das auf den Zessionar der
vorliegenden Erfindung übertragen worden ist. In den Fig. 1 und 2
bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente. Wie
bei dem hybriden System der Fig. 1 enthält das einkomponentige
System eine Antragswalze 40 und Elektrodendrähte 41, wobei
aber die Antragswalze 40 Toner aufnimmt, um ihn von einem
Vorrat an reinem Toner in dem Gehäuse 38 zu dem Photorezeptor 10
zu fördern. In dem einkomponentigen System der Fig. 2 gibt es
keine Transportwalze 46, und deshalb werden keine
Trägerteilchen in dem Entwickler verwendet. Die besondere Konstruktion
der Entwicklungsstation in Fig. 2 kann besondere Gegenstände
einschließen, die zur einkomponentigen Entwicklung zweckmäßig
sind, wie eine Aufladestange 78 oder eine elektrisch
vorgespannte Tonerbewegungseinrichtung 94, deren genaue
Arbeitsweise in dem obengenannten Patent beschrieben ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf
entweder Fig. 1 oder Fig. 2 ist die äußere Oberfläche 42 der
Antragswalze 40 aus einem selbsttragenden Zylinder aus
Phenolharz hergestellt, vorzugsweise der von Tokai Rubber Industries
of Japan hergestellte Typ, insbesondere der mit den "LGC" und
"GCS'" Formulierungen, die Eigentum dieser Hersteller sind.
Wenn diese Außenwalze aus Phenol verwendet wird, soll der Kern
der Antragswalze 40 aus einem herkömmlichen, leitenden
Material sein, wie Aluminium. Dieses Phenolharz wird als
selbsttragendes Rohr stranggepreßt, ist dotiert, um eine vorausgewählte
Leitfähigkeit zu erhalten, und wenn notwendig, durch auf dem
Gebiet gut bekannte Techniken abgeschliffen, um die
erwünschten, genauen Abmessungen für eine bestimmte
Entwicklungsvorrichtung anzunehmen. In einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die beabsichtigte Wanddicke des Phenolzylinders,
der die äußere Oberfläche 42 bildet, zwischen 1 und 2 mm bei
einer Antragswalze 40, die einen Gesamtaußendurchmesser von
ungefähr 25 mm aufweist; diese Dicke stellt einen Kompromiß
zwischen den Ansprüchen an mechanische Stabilität und Kosten
dar. Es ist herausgefunden worden, daß dieses Phenolharz
besonders für die Konstruktionsparameter einer Antragswalze bei
der reinigungsfreien Entwicklung geeignet ist, entweder bei
der Art mit Magnetbürste oder mit Einzelkomponente. Weil das
selbsttragende Rohr aus Phenolharz mit relativ dicken Wänden
hergestellt werden kann, kann die Dicke der Wände ausgenutzt
werden, um sicherzustellen, daß Oberflächenabweichungen, wie
Krater oder Nadellöcher, auf einem Minimum gehalten werden.
Phenolharz hat gezeigt, daß es ein geeignet harter Stoff ist,
der keine merklichen Abnutzungsprobleme dargestellt hat, wenn
er in Bewegungsberührung mit einer Magnetbürste während einer
längeren Dauer angeordnet ist. Und wiederum ist es, weil
Phenolharz relativ leicht zu bearbeiten ist, möglich, einen
solchen Zylinder auf eine kleine Abmessung abzuschleifen, um
genaue Abmessungen sicherzustellen.
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Ein Schlüsselparameter für die äußere Oberfläche der
Antragswalze gemäß der vorliegenden Erfindung ist ihre
Entladungszeitkonstante. Die Zeitkonstante zum Entladen ist die
Zeitdauer, in der 63% einer gegebenen Ladung auf der Oberfläche der
Antragswalze abgeleitet werden. Da eine solche Zeitkonstante,
wie es auf dem Gebiet der Elektrotechnik gut bekannt ist,
eine Funktion des Widerstandes und der Kapazität der in Frage
stehenden Einrichtung ist, folgt, daß zwei Schlüsselparameter
für die Zusammensetzung des Phenolharzes seine Leitfähigkeit
(die sich auf den Widerstand bezieht) und seine dielektrische
Konstante ist (die sich auf die Kapazität bezieht) sind. Die
Leitfähigkeit bestimmter Zuschläge in dem Phenolharz ist ein
Faktor seiner Gesamtleitfähigkeit. Unter
Leitfähigkeitsmitteln, die verwendet werden können, um eine erwünschte
Leitfähigkeit zu erhalten, sind Ruß oder Graphit, oder ein
teilleitfähiger Stoff, wie Zinnoxid oder andere Metalloxide. Die für
das "GCS'" Phenol angegebene dielektrische Konstante ist 33.
Diese Parameter beziehen sich auf die Zeitkonstante durch die
folgende Beziehung
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td = ε&sub0;Kd/ d
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worin td = Zeitkonstante (in Sekunden) der Antragsrolle
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ε&sub0; = dielektrische Konstante im Vakuum
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= 85 × 10&supmin;¹&sup4; sec/(cm Ohm)
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Kd = Dielektrizitätskonstante der Phenolbeschichtung
(keine Einheiten)
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d = elektrische Leitfähigkeit der Phenolbeschichtung
(in 1/(cm Ω)).
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Wie man aus dem vorstehenden sehen kann, ist die physikalische
Eigenschaft des Phenols, die am einfachsten gesteuert werden
kann, um eine erwünschte Zeitkonstante zu erhalten, die
Leitfähigkeit des Phenols, die durch die richtige Konzentration
und Auswahl von Zuschlägen beeinflußt werden kann. Für die
Anwendung als Antragswalze der vorliegenden Erfindung bei der
hybriden, reinigungsfreien Entwicklung mit einer
Magnetbürsten-Übertragungswalze ist berechnet worden, daß der am
meisten erwünschte Bereich für diese Zeitkonstante von 1 bis 300
Mikrosekunden ist, mit einem des weiteren bevorzugten
Bereiches von 30 bis 70 Mikrosekunden.
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Es sollte hervorgehoben werden, daß dieser Bereich der
erwünschten, optimalen Entladungszeitkonstanten wesentlich von
den früheren, bevorzugten Bereichen im reinigungsfreien
Zusammenhang unterschiedlich ist, insbesondere von jenen, die mit
Antragswalzen aus anodisiertem Aluminium verbunden sind. In
US-A-5,063,875, das dem Zessionar der vorliegenden Erfindung
übertragen worden ist, ist bspw. die Oberflächenleitfähigkeit
einer bevorzugten Antragswalze aus anodisiertem Aluminium 10&supmin;¹¹
(Ohm cm)&supmin;¹. Überlegt man, daß Kd von anodisiertem Aluminium 9
ist, so ist die sich ergebende td 80 Millisekunden, was
verglichen mit den Verweilzeiten in dem
Antrags-Photorezeptorspalt sowie dem Grenzbereich zwischen der Magnetbürste und der
Antragswalze lang ist. Bei einer Phenolantragswalze, die eine
Entladungszeitkonstante in dem bevorzugten Bereich gemäß der
vorliegenden Erfindung hat, ist ein geeigneter
Leitfähigkeitsbereich zwischen 10&supmin;&sup8; und 10&supmin;&sup6; (Ohm cm)&supmin;¹.
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Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform zahlreiche
Vorteile bei einem praktischen Entwicklersystem erlaubt, werden
die bevorzugten Bereiche von gewissen physikalischen
Eigenschaften davon gemäß zahlreichen und gegebenenfalls sich
widersprechenden Konstruktionsparametern ausgewählt. Diese
Konstruktionsbeschränkungen sind besonders in dem oben
beschriebenen, hybriden Fall offensichtlich, worin die Antragswalze
mit Toner durch die Magnetbürste der Transportwalze "beladen"
wird. Unter diesen Konstruktionsbeschränken sind: das
Oberflächenladungsabklingen (d.h., die Entladungszeitkonstante) der
Antragswalze; die Magnetbürstenentwicklungsentspannung, die
sich auf die Fähigkeit der Magnetbürste bezieht, eine maximale
Tonermenge zu der Antragswalze über den Spalt dazwischen zu
transportieren und die eine Funktion der Fähigkeit der
elektrischen Felder zwischen der Transportwalze und der
Antragswalze ist, um schnell zusammenzubrechen, wenn sich die
Oberfläche davon von dem Spalt fortbewegt; die
Wechselstromfrequenzrelation, die sich auf die Leitfähigkeit oder die
isolierenden Eigenschaften der Antragswalze in bezug auf den
Wechselstrom in den Elektrodendrähten bezieht und die
Feldverstärkung nahe den Drähten beeinflußt; und die
Bildentwicklungsreaktion des Photorezptors, die allgemein angibt, daß bei einer
gleichförmigen Feldstärke zwischen der Antragswalze und dem
Photorezptor die dielektrischen Ladungen auf der Antragswalze
schneller abklingen müssen, als sich die
Photorezeptorbildspannungen ändern können.
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Berücksichtigt man alle diese Beschränkungen und weitere, so
ist herausgefunden worden, daß gewisse dieser Beschränkungen
durch eine richtige Auswahl des Materials für die äußere
Oberfläche 42 der Antragswalze 41 erfüllt werden können,
insbesondere im Hinblick auf die Dicke sd der dielektrischen Schicht,
die die äußeren Oberfläche 42 bildet, und der tatsächlichen,
dielektrischen Konstanten Kd davon. Eine oder mehrere solcher
Beschränkungen für die praktischen Anwendungen der
reinigungsfreien Entwicklung können einfach dadurch erfüllt werden, daß
ein Verhältnis sd/Kd der dielektrischen Dicke an der
dielektrischen Konstanten in gewissen Bereichen vorgesehen wird. (Da
die dielektrische Konstante keine Dimension hat, ist die
Dimension des Verhältnisse eine Länge.) Die Verwendung dieses
Verhältnisses, um einige der obigen
Konstruktionsbeschränkungen zu erfüllen, kann wie folgt zusammengefaßt werden:
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wenn sd/Kd « Elektrodendrahtdurchmesser ( 50 µm) dann können
die Leitfähigkeitsbeschränkungen für die
Wechselfrequenzrel-lation vernachlässigt werden.
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« Luftspalt zwischen Antragswalze und Photorezeptor
( 300 µm), dann können die Beschränkungen der
Bildentwicklungsreaktion des Photorezeptors
vernachlässigt werden.
-
« Tonerteilchendurchmesser ( 10 µm), dann kann die
Anforderung an die Magnetbürsten-
Entwicklungsentspannung vernachlässigt werden.