DE69502760T2 - Verfahren und Vorrichtung für direktes elektrostatisches Drucken (DEP) - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für direktes elektrostatisches Drucken (DEP)Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft das elektrostatische Druckverfahren und insbesondere den Direkten Elektrostatischen Druck (DEP). Beim DEP erfolgt der elektrostatische Druck direkt auf einem Substrat mittels elektronisch ansteuerbarer Druckköpfe.
- Beim DEP (Direkten Elektrostatischen Druck) wird der Toner oder das Entwicklungsmaterial direkt bildmäßig auf ein keinerlei bildmäßiges latentes elektrostatisches Bild tragendes Substrat abgesetzt. Das Substrat kann ein Zwischenträger sein, wobei es zur Übertragung des erzeugten Bildes auf ein weiteres Substrat (z. B. einen Aluminiumträger, usw.) dient, doch vorzugsweise stellt es das Endempfangssubstrat dar und bietet es somit die Möglichkeit, das Bild nach einer Endschmelzstufe direkt auf dem Endempfangssubstrat, z. B. gewöhnlichem Papier, einem Transparent, usw., herzustellen. Dies unterscheidet das Verfahren von der herkömmlichen Elektrografie, wo ein latentes elektrostatisches Bild mittels eines geeigneten Materials auf einer ladungsaufrechterhaltenden Oberfläche entwickelt wird, um das latente Bild sichtbar zu machen, und wo entweder das Pulverbild direkt auf der ladungsaufrechterhaltenden Oberfläche geschmolzen wird, was eine direkte elektrografische Kopie ergibt, oder das Pulverbild nach der Entwicklung auf das Endsubstrat übertragen und dann auf diesem Medium geschmolzen wird, was eine indirekte elektrografische Kopie ergibt. Das Endsubstrat kann verschiedene Materialien sein, wie ein transparentes Medium, opake polymere Filme, Papier, usw. Ein wesentlicher Unterschied des DEP-Verfahrens im Vergleich zur Elektrofotografie liegt weiterhin in der Tatsache, daß bei letzterer Technik zur Erzeugung des latenten elektrostatischen Bildes eine zusätzliche Stufe und ein zusätzliches Material angewendet werden, insbesondere ein Fotoleiter benutzt wird und ein Aufladungs/Belichtungszyklus erforderlich ist.
- Ein DEP-Gerät wird in der US-P 3 689 935 beschrieben.
- Dieses Dokument beschreibt einen elektrostatischen Zeilendrucker mit einem mehrschichtigen Teilchenmodulator oder Druckkopf mit einer Schicht aus isolierendem Material, einer kontinuierlichen Schicht aus leitfähigem Material an einer Seite der Schicht aus isolierendem Material und einer segmentierten Schicht aus leitfähigem Material an der anderen Seite der Schicht aus isolierendem Material. Der Druckkopf ist mit wenigstens einer Reihe von Öffnungen versehen. Jedes Segment der segmentierten Schicht aus leitfähigem Material ist rund um einen Teil einer Öffnung ausgebildet und ist isolierend von jedem anderen Segment der segmentierten leitfähigen Schicht abgeschirmt. An jedem Segment der segmentierten leitfähigen Schicht werden vorgegebene Potentiale angelegt, während an der kontinuierlichen leitfähigen Schicht ein festes Potential angelegt wird. Mittels eines über das ganze Element angelegten Feldes werden geladene Teilchen durch eine Reihe von Öffnungen des Teilchenmodulators (Druckkopfes) geschleudert, wobei die Intensität des Teilchenstroms gemäß dem Muster von an den Segmenten der segmentierten leitfähigen Schicht angelegten Potentialen moduliert wird. Der modulierte Strom geladener Teilchen fällt auf ein im modulierten Teilchenstrom befindliches Druckempfangselement und wird in die Richtung des Teilchenmodulators (Druckkopf) verschoben, wonach ein zeilenweiser Abtastdruck erfolgt. Die segmentierte Elektrode wird als Steuerelektrode und die kontinuierliche Elektrode als Schirmelektrode bezeichnet. Die Schirmelektrode, zum Beispiel, liegt gegenüber dem Tonerzufuhrelement und die Steuerelektrode gegenüber dem Bildaufzeichnungselement. Zwischen dem Druckkopf und einer Gegenelektrode wird ein Gleichstromfeld angelegt, wodurch der Toner zum zwischen dem Druckkopf und der Gegenelektrode angeordneten Bildempfangselement angezogen wird. Für dieses Grundprinzip sind verschiedene Modifikationen vorgeschlagen worden, hauptsächlich zum Überwinden vierer Hauptprobleme.
- - der Erhalt einer gleichmäßigen Wolke von Tonerteilchen zum Druckkopf,
- - die Zuführung einer ausreichenden Menge geladener Tonerteilchen zur Druckkopfstruktur, ohne Zerstreuung der Teilchen oder ohne Verschmutzung der Druckkopfstruktur und der Umgebung des Geräts,
- - das Vermeiden von Verstopfung der Öffnungen in der Druckkopfstruktur,
- - das Vermeiden der Absetzung von Teilchen mit falschem Vorzeichen auf die Druckkopfstruktur, wobei die Abstoßung von Teilchen mit dem korrekten Vorzeichen einem Anziehungszustand für Teilchen mit einem falschen Vorzeichen entspricht.
- In der GB 2 108 432 werden verschiedene Maßnahmen zum Überwinden bestimmter der erwähnten Probleme beschrieben. Es werden Mittel für eine stabile und gleichmäßige Zuführung von Tonerteilchen zur Druckkopfstruktur und zum Vermeiden von Verstopfung der Öffnungen in der Druckkopfstruktur durch Tonerteilchen beschrieben. Daher wird ein Fördermittel angeordnet, auf der eine Schicht von Tonerteilchen abgesetzt wird, und wird zwischen dem Tonerfördermittel und der kontinuierlichen Schicht aus leitfähigem Material auf der Druckkopfstruktur eine Wechselstromspannung angelegt. Diese Wechselstromspannung läßt die Tonerteilchen zwischen dem Tonerfördermittel und der dem Tonerfördermittel gegenüberliegenden Oberfläche des Druckkopfes "springen", wodurch sich eine "Tonerwolke" bildet. Die Wechselstromspannung wird derart eingestellt, daß die Tonerteilchen die Druckkopfstruktur erreichen können, wodurch die zwischen der Druckkopfstruktur und dem Substratträgerelement angelegte Gesamtgleichstromspannung die Tonerteilchen nach Modulation aus der Pulverwolke anziehen kann. Die Gesamtgleichstromspannung treibt die Tonerteilchen nach der Modulation auf das zwischen dem Druckkopf und einer Gegenelektrode angeordnete Bildempfangselement. Man glaubt, daß die "berührenden" Tonerteilchen dazu beitragen, die Verschmutzung der Druckkopfstruktur und die Verstopfung der Öffnungen zu verlangsamen. Zugleich werden zum Verlangsamen der Verstopfung ein Sonderentwurf der Öffnungen in der Druckkopfstruktur und eine spezielle Auswahl des Materials der Druckkopfstruktur beansprucht. Eine letzte vorgeschlagene Maßnahme betrifft die "Reinigung" der Druckkopfstruktur mittels periodischer elektrischer Entladungsstöße.
- In der DE-OS 34 11 948 wird ein Gerät beschrieben, in dem die Tonerteilchen in Form einer Schicht auf einem Fördermittel der Druckkopfstruktur angeboten werden. Das Fördermittel hat einen Sonderentwurf und es werden Wechselstrom/Gleichstromfelde benutzt, um die Sprungbeförderung der Tonerteilchen über die Druckkopfstruktur zu sichern. In diesem Dokument wird ebenfalls die Qualität der "Tonerwolke" gesteuert, um den Vorgang zu vereinfachen. Dieses Dokument verschafft Mittel, um den Abstand zwischen dem Fördermittel und der Druckkopfstruktur bei einem DEP-System größer als vorher einzustellen, wobei schwächere elektrische Felde benötigt sind und dadurch eine Durchbruchs - Entladung zwischen der Druckkopfstruktur und der Gegenelektrode vermieden wird. Der Toner wird darüber hinaus ständig gerührt, um das Klumpen separater Tonerteilchen zu vermeiden.
- In der EP-A 266 960 beschreibt man ein Tonerzufuhrsystem, in dem eine Einzeltonerschicht mittels eines mehrkomponentigen Entwicklers (Träger/Toner) und einer herkömmlichen Magnetbürste auf die Oberfläche des Tonerfördermittels abgesetzt wird. Der Gebrauch eines mehrkomponentigen Entwicklers sichert eine günstige Ladungsverteilung im Toner und führt somit zu einer Verringerung der Verschmutzungsgeschwindigkeit des Druckkopfes. Im beschriebenen System kann der Druckkopf durch Anwendung einer Wechselstromspannung auf die Gegenelektrode gereinigt werden, wobei das sehr starke elektrische Wechselstromfeld verstopfte Tonerteilchen aus den Öffnungen der Druckkopfstruktur herauszieht und wieder zum Fördermittel treibt. Man braucht eine Sonderanordnung, um das nicht-benutzte Tonermaterial vom Förderband zurückzugewinnen und es entweder zu beseitigen oder wiederzuverwenden, indem es wieder zur zur Absetzung des aktiven Materials auf das Fördermittel benutzten Magnetbürste befördert wird.
- In der US-P 4 743 926 beschreibt man den Gebrauch zweier Tonerförderbänder mit einer unterschiedlichen Ladung, wodurch die Tonerteilchen je nach ihrer Ladung getrennt werden und nur Toner mit korrektem Vorzeichen zur Druckkopf geführt wird.
- In der US-P 4 912 489 wird ein DEP-Gerät beschrieben, in dem die Steuerelektroden an der am weitesten vom Bildaufzeichnungselement entfernten (und also der Tonerzufuhr- Seite gegenüberliegenden) Seite des Druckkopfes und die Schirmelektrode in nächster Nähe vom Bildaufzeichnungselement angeordnet sind. Diese ungewöhnliche Anordnung der Schirmelektrode und Steuerelektrode erbringt den Vorteil, daß nur eine niedrige Gleichstromspannung benötigt wird, um den Tonerstrom zu modulieren, und Toner mit falschem Vorzeichen sich nahe am Tonerzufuhrelement anhäuft und nicht zum Bildempfangselement befördert wird.
- In der US-P 5 038 322 beschreibt man den Gebrauch von Öffnungen im Druckkopf mit kleineren Abmessungen an der Seite der Steuerelektrode als an der Seite der Schirmelektrode. Dadurch läßt sich ein schwächerer Modulationsstrom anwenden, wodurch eine Anhäufung von Toner mit falschem Vorzeichen vermieden und die Dichte der Tonerwolke gesteigert wird.
- In der US-P 5 202 704 wird ein DEP-Gerät beschrieben, in dem die Tonerwolke mechanisch erzeugt wird und der Druckkopf schwingt, um in den Öffnungen des Druckkopfes feststeckende Tonerteilchen zu entfernen. Aus der JP-A-60-263962 sind ein Verfahren und ein Gerät bekannt, bei denen eine Magnetbürste und ein zweikomponentiger Entwickler benutzt werden.
- Es sei ebenfalls auf den von Murata et al. anläßlich des Int. Conf. Appl. Electrostatics (Bejing, 1993) vorgestellten Artikel, S. 391 bis 411, verwiesen. In diesem Artikel wird eine DEP-Maschine beschrieben, die eine aus einer Matrixelektrode bestehende Druckkopfstruktur umfaßt. Die Tonerteilchen werden auf einem aus einer Magnetwalze bestehenden Fördersystem dosiert und zur Druckkopfstruktur befördert. In diesem Artikel werden die Beschränkungen der beschriebenen DEP-Maschine besprochen und es zeigt sich dabei deutlich, daß die Masse des Tonermaterials sowohl Teilchen mit schwacher Ladung als Teilchen mit falschem Vorzeichen enthält. Beide Faktoren beeinträchtigen die Leistung und Fähigkeit der DEP-Maschine. Im Artikel vorgestellte Fotos und die in diesem Artikel besprochenen Daten zeigen die möglichen Vorteile von DEP als Aufzeichnungsverfahren, doch betonen gleichfalls deutlich dessen Beschränkungen.
- Die in den obenerwähnten Verweisungen beschriebene Modifikation stellt eine Teillösung der beim Ausführen des DEP- Verfahrens begegneten Probleme dar, in den meisten Verweisungen aber werden ziemlich komplizierte Vorrichtungen benötigt und wird die Vereinfachung des DEP-Systems im Vergleich zur herkömmlichen Elektrografie nicht vollkommen verwirklicht. Die Tatsache, daß den mit dem nicht eindeutig definierten Zustand der geladenen Tonerwolke (Anwesenheit von Teilchen mit falschem Vorzeichen oder mit einer niedrigen Ladung) verbundenen Problemen nicht in einem ausreichend befriedigendem Maße abgeholfen wird, beschränkt das Gesamtverfahren in bezug auf die Bildqualität und dessen Anwendungen. Daneben werden komplexe Tonerfördermittel beschrieben, die die markierenden Tonerteilchen zum Druck- und Projektionsbereich (Tonerwolkenbildungsbereich) befördern. In allen beschriebenen Systemen werden die Tonerteilchen in Form einer Schicht als Einzelkomponentenmaterial dem Druckkopf angeboten, wodurch sowohl der elektrischen als auch der mechanischen Konstruktion des DEP-Systems strenge Erfordernisse in bezug auf eine hohe Qualität und Präzision auferlegt sind. Auch die Tonerteilchen als solcher und die Mittel zur Entfernung und Reaktivierung des Toners müssen strengen Anforderungen genügen. Dies ist erneut eine Erläuterung der Komplexität und der Beschränkungen der bisher beschriebenen DEP-Systeme.
- Es besteht also noch immer einen Bedarf an einem System zur Ausführung der DEP-Theorie, das nicht nur die obenerwähnten Probleme beseitigt, sondern ebenfalls auf einem einfacheren Gerät basiert und auf eine reproduzierbare und konstante Art und Weise hochqualitative Bilder ergibt.
- Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für Direkten Elektrostatischen Druck (DEP), mit dem ohne Reinigung der Druckkopfstruktur große Auflagen hochqualitativer Bilder erzeugt werden können.
- Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zum Ausführen dieses Verfahrens.
- Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Tonerteilchen für den Einsatz im obenerwähnten Verfahren.
- Weitere Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
- Die obigen Gegenstände erzielt man mit einem Verfahren für direkten elektrostatischen Druck (DEP) auf einem Zwischensubstrat oder einem Endsubstrat unter Anwendung eines Geräts, das eine Gegenelektrode, eine Druckkopfstruktur mit einer Steuerelektrode in Kombination mit Öffnungen, und ein Tonerzufuhrelement umfaßt, das eine Wolke von Tonerteilchen bis nahe an den Öffnungen befördert, wobei ein mehrkomponentiger, zumindest Tonerteilchen und magnetisch anziehbare Trägerteilchen enthaltender Entwickler benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonerzufuhrelement eine Magnetbürstenanordnung ist und die Tonerwolke mittels eines Schwingungsfelds direkt aus dem mehrkomponentigen, an der Oberfläche der Magnetbürstenanordnung befindlichen Entwickler erzeugt wird.
- In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung in einem Abstand (1) von der Oberfläche der der Magnetbürstenanordnung gegenüberliegenden Druckkopfstruktur, wobei 1 der folgenden Formel entspricht.
- 2/3 L < 1 < 1000 + L
- wobei alle Abmessungen in um ausgedrückt sind und L als die Höchststärke der auf der Magnetbürstenanordnung befindlichen Entwicklerschicht in Abwesenheit des Schwingungsfelds definiert und gemäß TEST A gemessen wird. "Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung" bedeutet hiernach die Außenoberfläche der Magnetbürstenanordnung, wenn kein Entwickler auf der Außenoberfläche enthalten ist.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die im erfindungsgemäßen Verfahren benutzten Tonerteilchen eine in fC ausgedrückte mittlere Ladung (q) auf, wobei 1 fC ≤ q ≤ 20 fC. noch besser wäre 1 fC ≤ q ≤ 10 fC.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die im erfindungsgemäßen Verfahren benutzten Tonerteilchen eine gemäß TEST B gemessene Ladungsverteilung mit einem Variabilitätskoeffizienten v von weniger als 0,5, vorzugsweise weniger als 0,33 auf.
- Abb. 1 ist eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen DEP-Geräts.
- Abb. 2 ist eine schematische Querschnittszeichnung eines zur Bestimmung der obendefinierten mittleren Ladung und des obendefinierten Variabilitätskoeffizienten der Ladungsverteilung der geladenen Tonerteilchen eingesetzten Apparats.
- Die Modifikationen des DEP-Prinzips (Direkter Elektrografischer Druck) bezogen sich bisher auf die mechanischen oder elektrischen Teile der Geräte, dem Aufbau des nachstehend als Entwickler bezeichneten Druckmaterials hingegen wurde wenig Aufmerksamkeit gewidmet. Wir haben festgestellt, daß der Gebrauch eines mehrkomponentigen Entwicklers (d. h. der zumindest Trägerteilchen und markierende Tonerteilchen enthält) eine erhebliche Verbesserung der DEP-Technik erbringt. Dabei werden die markierenden Tonerteilchen gemäß dem Tonerstrahlvorgang aufgespritzt und werden die Trägerteilchen zwar zusammen mit den Tonerteilchen auf einem Fördermittel geladen, sondern sind kein aktiver Partner beim Tonerstrahlvorgang selber.
- Wir haben festgestellt, daß der Gebrauch eines mehrkomponentigen Entwicklers mit einer geeigneten Zusammensetzung die direkte Anwendung der DEP-Technik mit einer Magnetbürste ermöglicht, was den Aufbau des DEP-Geräts dadurch vereinfacht, daß kein komplexes Tonerfördermittel benötigt wird. Durch Anpassung der Stärke (L) der Entwicklerschicht der Magnetbürste (d. h. der Länge der "Haare" der Magnetbürste) auf der Magnetbürstenanordnung an den Abstand (1) zwischen der Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung und der Druckkopfstruktur können, wie wir festgestellt haben, die zum Ausführen des Tonerstrahlvorgangs benötigten elektrischen Felde innerhalb nutzbarer Grenzen gehalten und kann zugleich die Verstopfung der Öffnungen in der Druckkopfstruktur in erheblichem Maße verringert werden. Wir haben festgestellt, daß beide letzteren Effekte durch die Wechselwirkung zwischen einem Schwingungsfeld und der Magnetbürste auf der Magnetbürstenanordnung verstärkt werden. Die Stärke L der Entwicklerschicht auf der Magnetbürste wird gemäß TEST A gemessen.
- Die Stärke der Entwicklerschicht auf der Magnetbürste wird wie folgt ermittelt.
- Der Entwickler wird in die Entwicklungseinheit eingeführt. Die Einheit wird 5 Min. eingeschaltet, um einen Dauerbetriebszustand zu erhalten. Danach wird die Entwicklungseinheit auf einem mit einer Mikrometerschraube versehenen Bezugsrahmen mit einer parallel zur Achse der Magnetbürstenanordnung verlaufenden Bezugsfläche montiert, wobei mit der Schraube der Abstand zwischen der Oberfläche der Büchse der Magnetbürstenanordnung und der Bezugsfläche eingestellt wird und sich der Abstand zwischen zwei Körpern mit einer Präzision von 10 um ablesen läßt. Danach wird die Entwicklungseinheit mit den normalen Einstellungen betätigt, danach gestopft und wird die Büchse über einen solchen Abstand zur Bezugsfläche verschoben, daß die Spitzen der Haare der Bürste mit der Bezugsfläche in Kontakt kommen. Dieser Kontakt ist visuell durch eine Belichtung durch den Schlitz hindurch wahrzunehmen. Der Abstand wird aufgezeichnet und die Messung 5mal wiederholt. Der Durchschnitt dieser 5 Messungen wird als 'L', d. h. die Stärke der Entwicklerschicht auf der Magnetbürste, bezeichnet und in um ausgedrückt.
- Vorzugsweise wird die Bezugsfläche der Magnetbürsten- Anordnung in einem Abstand (1) von der Oberfläche der der Magnetbürstenanordnung gegenüberliegenden Druckkopfstruktur angeordnet, wobei 1 der folgenden Formel entspricht.
- 2/3 L < 1 < 1000 + L
- wobei alle Abmessungen in um ausgedrückt sind und L als die Höchststärke der auf der Magnetbürstenanordnung befindlichen Entwicklerschicht in Abwesenheit des Schwingungsfelds definiert und gemäß TEST A gemessen wird.
- Am besten wird die Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung in einem Abstand (1) von der Oberfläche der der Magnetbürstenanordnung gegenüberliegenden Druckkopfstruktur angeordnet, wobei 1 der folgenden Formel entspricht.
- L < 1 < 500 + L
- wobei alle Abmessungen in um ausgedrückt sind und L als die Höchststärke der auf der Magnetbürstenanordnung befindlichen Entwicklerschicht in Abwesenheit des Schwingungsfelds definiert und gemäß TEST A gemessen wird.
- Durch Anpassung der Eigenschaften des Trägers an die Eigenschaften des Toners und die Eigenschaften der Magnetbürstenanordnung kann auf der Oberfläche der Magnetbürstenanordnung eine "glatte" Entwicklerschicht erhalten werden.
- Durch Anpassung der triboelektrischen Aufladungs- Eigenschaften von Toner und Träger ist es darüber hinaus möglich, Tonerteilchen mit einem typischen Ladungsgrad und ebenfalls einer scharfen Ladungsverteilung zu erhalten, wodurch die Herstellung von Toner mit falschem Vorzeichen vermieden wird und sich somit nicht länger spezielle (elektrische oder mechanische) Maßnahmen nötig machen, um die Übertragung von Toner mit falschem Vorzeichen zu vermeiden. Dank beiden Anpassungen läßt sich das DEP-Verfahren tadellos wiederholt anwenden und einstellen.
- Ein Gerät zum Ausführen eines erfindungsgemäßen DEP-Verfahrens umfaßt (Abb. 1).
- (i) ein Tonerzufuhrelement (1) mit einem Entwicklerbehälter (2) und einer eine Tonerwolke (4) erzeugenden Magnetbürstenanordnung (3),
- (ii) eine Gegenelektrode (5),
- (iii) eine doppelseitig mit einem Metallfilm überzogene, aus isolierendem Kunststoffilm hergestellte Druckkopfstruktur (6). Die Druckkopfstruktur (6) umfaßt eine kontinuierliche Elektrodenoberfläche, nachstehend als "Schirmelektrode" (6b) bezeichnet, die in der gezeigten Ausführungsform dem Tonerzufuhrelement gegenüberliegt, und eine komplexe ansteuerbare Elektrodenstruktur, nachstehend als "Steuerelektrode" (6a) bezeichnet, die rund um Öffnungen (7) angeordnet ist und in der gezeigten Ausführungsform dem Tonerempfangselement im DEP-Gerät gegenüberliegt. In anderen Ausführungsformen eines Geräts für ein erfindungsgemäßes DEP- Verfahren können die Schirmelektrode (6b) und Steuerelektrode (6a) an einer von der in Abb. 1 gezeigten Stelle unterschiedlichen Stelle angeordnet werden.
- (iv) ein Fördermittel (8), um ein Bildempfangselement (9) für den Toner zwischen die Druckkopfstruktur und die Gegenelektrode in die durch Pfeil A gezeigte Richtung zu befördern, und
- (v) Mittel (10), um den Toner auf dem Bildempfangselement zu fixieren.
- In Abb. 1 wird zwar eine Ausführungsform eines zum Ausführen eines erfindungsgemäßen DEP-Verfahrens nutzbaren Geräts mit zwei Elektroden (6a und 6b) auf Druckkopf 6 gezeigt, doch zum Ausführen eines erfindungsgemäßen DEP-Verfahrens lassen sich ebenfalls Geräte mit einem unterschiedlichen Aufbau des Druckkopfes (6) verwenden. So ist z. B. zum Ausführen des erfindungsgemäßen DEP-Verfahrens der Einsatz eines Geräts mit einem Druckkopf mit nur einer Elektrodenstruktur oder eines Geräts mit einem Druckkopf mit mehr als zwei Elektrodenstrukturen möglich. Das erfindungsgemäße DEP-Verfahren läßt sich ebenfalls mittels eines DEP-Geräts mit einer Elektrodenmaschenmatrix als Druckkopfstruktur ausführen. Solch eine Elektrodenmaschenmatrix wurde anläßlich des IS&T's Ninth International Congres on Advances in Non-Impact Printing Technologies/Japan Hardcopy '93, Oktober 4-8, 1993 Yokohama Japan, vorgestellt und im "Program and Proceedings Book with International Claasification Numbers ISNB 0-89208-1724 and ISSN 0916-8087", S. 509 u.f., veröffentlicht.
- Zwischen der Druckkopfstruktur (6) und der Magnetbürstenanordnung (3), zwischen der Steuerelektrode rund um die Öffnungen (7) und der Gegenelektrode (5) hinter dem Tonerempfangselement (9), und auf der Einzelelektrodenoberfläche oder zwischen den Mehrelektrodenoberflächen der Druckkopfstruktur (6) werden unterschiedliche elektrische Felde angelegt. In der typischen Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren zu benutzenden, in Abb. 1 gezeigten Geräts werden an der Büchse der Magnetbürstenanordnung 3 eine Spannung V1, an der Schirmelektrode (6b) eine Spannung V2 und an der Steuerelektrode (6a) die Spannungen V3&sub0; bis V3n angelegt. Der V3-Wert wird je nach der Modulation der bilderzeugenden Signale auf Basis einer Zeitskala oder Grauskala zwischen V3&sub0; und V3n eingestellt. Die Spannung V4 wird an der Gegenelektrode hinter dem Tonerempfangselement angelegt.
- In einem erfindungsgemäßen DEP-Gerät ist das Tonerzufuhrelement eine Schicht aus einem mehrkomponentigen Entwickler auf einer Magnetbürstenanordnung und wird die Tonerwolke direkt aus der Magnetbürstenanordnung erzeugt und nicht durch ein Förderband oder dergleichen zugeführt.
- Die Gegenelektrode, die Druckkopfstruktur, das Fördermittel für das Bildempfangselement und das Fixiermittel in einem erfindungsgemäßen DEP-Gerät können jeden beliebigen Aufbau aufweisen, wie z. B. in den US-P 3 689 935, GB 2 108 432, DE-OS 34 11 948, EP-A 266 960, US-P 4 743 926, US-P 4 912 489, US-P 5 038 322, US-P 5 202 704 usw. beschrieben.
- Gegebenenfalls wird auf der Oberfläche der Gegenelektrode eine spezielle Halbleiterschicht angeordnet, um das Risiko unbeabsichtigter elektrischer Entladungen zu verringern. Eine solche Halbleiterschicht ist z. B. eine Schicht aus halbleitendem Gummitmaterial.
- In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind keine Fixiermittel (10) eingebaut, sondern wird die Gegenelektrode (5) erhitzt und betätigt sich dadurch ebenfalls als Fixiermittel für Tonerteilchen.
- Die in einem erfindungsgemäßen DEP-Gerät zu benutzende Magnetbürstenanordnung kann entweder des Typs mit festem Kern und drehender Büchse oder des Typs mit drehendem Kern und drehender oder fester Büchse sein. Eine deutliche Beschreibung typischer Entwicklungseinheiten beider Typen, d. h. des Typs mit festem Kern und drehender Büchse und des Typs mit drehendem Kern und drehender oder fester Büchse, findet sich in der Veröffentlichung Hitachi Metals, Hitachi Components for electrophotographic printing systems (Hitachi-Komponente für elektrofotografische Drucksysteme), S. 5 - S. 11, veröffentlicht von Hitachi Metals, International Ltd., 2400 Westchester Avenue, Purchase, New York, 10577, USA. Die Entwicklungseinheit des Typs mit drehendem Kern wird üblicherweise für Monokomponenten- Entwickler eingesetzt, doch in bestimmten Patentanmeldungen von Minolta Corp., z. B. US 4 600 675, US 4 331 757, US 4 284 702, ist ebenfalls ihr Einsatz für Doppelkomponentensysteme beschrieben worden. Der Gebrauch eines Entwicklungsverfahrens des Typs mit drehendem Kern ist in der Veröffentlichung von Matsushita Electronic Components Co. Ltd. über das Pana-Fine- Verfahren (National Technical Report, Band 28, Nr. 4, August 1982, S. 676) beschrieben worden.
- Bei Gebrauch einer Magnetbürste mit festem Kern und drehender Büchse bildet sich unter Einwirkung eines zwischen der Büchse der Magnetbürstenanordnung und der Druckkopfstruktur angelegten Gleichstromfeldes und in Abwesenheit eines Schwingungsfelds eine kleine Tonerwolke in der Nähe der Öffnungen des Druckkopfes. Eine ausreichend dichte Tonerwolke erhält man aber nur, wenn als Schwingungsfeld ein Wechselstromfeld (d. h. ein elektrisches Schwingungsfeld) mit dem Gleichstromfeld zwischen der Büchse der Magnetbürstenanordnung und der Druckkopfstruktur kombiniert wird.
- Bei Gebrauch einer Magnetbürste mit drehendem Kern und drehender Büchse wird der Entwickler durch die Kombination zweier Effekte über die Magnetbürstenanordnung befördert. Der erste Effekt ist die typische Bewegung einer Magnetbürsten- Anordnung mit festem Kern, d. h. der Entwickler wird über die Magnetbürstenanordnung befördert, weil alle Haare der Magnetbürste von einem festen magnetischen Pol zu einem anderen taumeln, indem die Wurzel jedes Haares dazu gezwungen wird, der leicht angerauhten Oberfläche der Walze zu folgen. Der andere Effekt ist die Bewegung, die verursacht wird durch die Tatsache, daß die Spitze jedes Haares zum sich in seine Richtung bewegenden magnetischen Pol taumelt. Die Haare taumeln beim vorbeibewegen der Pole unter den Entwickler hindurch von jedem magnetischen Pol zum anderen.
- Diese Effekte lösen sowohl eine hohe Fördergeschwindigkeit als ein typisches Schwingungsverhalten im Entwickler aus: unter der Einwirkung eines zwischen der Büchse der Magnetbürsten- Anordnung und der Druckkopfstruktur angelegten Gleichstromfeldes bildet sich in der Nähe der Öffnungen des Druckkopfes eine ausreichend dichte Tonerwolke, ohne daß in Kombination mit dem zwischen der Büchse der Magnetbürstenanordnung und der Druckkopfstruktur angelegten Gleichstromfeld ein zusätzliches Wechselstromfeld angelegt wird. Der drehende magnetische Kern der Magnetbürstenanordnung verschafft schon ein magnetisches Schwingungsfeld, das durch sich ändernde, magnetische, durch die Bewegung verschiedener magnetischer Pole unter der Oberfläche der Magnetbürstenanordnung gebildete Felde ausgebildet wird. Zur Erzielung einer besseren Tonerwolkenbildung wird mit dem zwischen der Büchse der Magnetbürstenanordnung und der Druckkopfstruktur angelegten Gleichstromfeld am besten ebenfalls ein Wechselstromfeld kombiniert.
- Beim Ausführen der vorliegenden Erfindung benutzt man vorzugsweise zwei unterschiedliche Trägertypen, die beide am spezifischen Aufbau der Magnetbürstenanordnung angepaßt sind. Die Anpassung wird derart vorgenommen, daß entweder eine kurzhaarige Bürste oder eine sehr sanfte, etwas dickere Bürste mit einem ausgesprochen glatten Aussehen erhalten wird. Das glatte oder kurzhaarige Aussehen wird als ein das in der vorliegenden Erfindung beschriebene Verfahren fördernder Faktor betrachtet.
- Bei der Magnetbürste mit festem Kern und drehender Büchse sind die Trägerteilchen vorzugsweise "sanfte" magnetische Teilchen (Träger A).
- Eine erste interessante Ausführungsform von "sanften", magnetischen, in einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren zu benutzenden Trägerteilchen läßt sich dem Bereich der sogenannten Ferritträgerteilchen entnehmen. Solche sanften Ferritteilchen sind nur in beschränktem Maße remanent mit Koerzitivkraftwerten zwischen 50 und 250 Oe. Eine weitere Ausführungsform von "sanften" magnetischen Trägerteilchen findet sich im Bereich der Metallteilchen. Beide Typen "sanfter" Teilchen sind makroskopisch große Teilchen mit einer gleichmäßigen Zusammensetzung über das ganze Teilchen. Diese Teilchen lassen sich sowohl als solcher als auch in einer mit einem Harz überzogenen Version (Träger A1 und A2) einsetzen.
- Als "sanfte" magnetische, in einem erfindungsgemäßen DEP- Verfahren zu benutzende Trägerteilchen lassen sich ebenfalls magnetische Kompositteilchen mit einer ausgesprochen sanften magnetischen Struktur einsetzen. Diese Kompositteilchen enthalten im wesentlichen denselben Typ von magnetisch aktiven Materialien als die makroskopisch großen Teilchen, mit dem Unterschied aber, daß das magnetisch aktive Material in einer sehr feinen, nahezu mikroskopischen Form, als Pigmentform bezeichnet, benutzt wird und zur Bildung der Teilchen gemäß einer Bindungsmatrix aneinander gebunden ist. Die Vorteile des Gebrauchs dieser Teilchen sind zweifach: erstens lassen sich die magnetischen Eigenschaften von Trägerteilchen mit mikroskopischen, magnetischen, einem Bindeharz einverleibten Pigmenten durch Anpassung der Zusammensetzung der Kompositteilchen problemlos anpassen und zweitens weisen Trägerteilchen mit mikroskopischen, magnetischen, einem Bindeharz einverleibten Pigmenten eine niedrigere relative Dichte auf, was die Teilchen aufgrund des kleineren gegenseitigen mechanischen Kontakts weniger verschleißanfällig macht und somit die Lebensdauer des Entwicklers steigert (Träger A3).
- Als sanfte magnetische Pigmente läßt sich eine Verschiedenheit an Materialien einsetzen, zu denen sowohl magnetische Metallpigmente wie feines Pulver, Fe-Pulver, andere Metalle und/oder Legierungen und magnetische Oxidpigmente, und rein auf Eisen basierende Pigmente, wie Magnetit, Mischeisenoxid, usw., als magnetische Mischoxidpigmente zählen, die üblicherweise als Ferrite des sanften Typs bezeichnet werden. Ferrite entsprechen der allgemeinen Formel:
- MeO. Fe&sub2;O&sub3;
- in der Me wenigstens ein zweiwertiges Metall wie Mn²&spplus;, Ni²&spplus;, Co²&spplus;, Mg²&spplus;, Ca²&spplus;, Zn²&spplus; und Cd²&spplus; bedeutet, das weiterhin mit einwertigen oder dreiwertigen Ionen dotiert ist. Als Sonderfall sei auf FeO. FeO&sub3;, d. h. Magnetit, verwiesen. Die als sanft bezeichneten Pigmente kennzeichnen sich durch eine Koerzitivkraft von wenigstens 250 Oe, wie sich aus dem nachstehenden Verfahren herausstellt.
- Die Koerzitivkraft eines magnetischen Materials ist die minimale äußere Magnetkraft, die zum Verringern der Remanenz Br auf Null benötigt ist, während sie im äußeren Feld konstant gehalten wird, und nachdem das Material magnetisch gesättigt worden ist. Es kann eine Verschiedenheit an Geräten und Verfahren zur Messung der Koerzitivkraft der erfindungsgemäß benutzten Trägerteilchen benutzt werden. Erfindungsgemäß benutzt man zur Messung der Koerzitivkraft von Pulverteilchenmustern einen von Princeton Applied Research Co., Princeton, N. J., vertriebenen Princeton Applied Research Model 155 Vibrating Sample Magnetometer. Das Pulver wird mit einem nichtmagnetischen polymeren Pulver (90 Gew.-% magnetisches Pulver - 10 Gew.-% Polymer) vermischt. Die Mischung wird in ein Haarrörchen eingeführt und bis über den Schmelzpunkt des Polymeren erhitzt, wonach man sie auf Zimmertemperatur abkühlen läßt. Das beschickte Haarrörchen wird dann im Musterhalter des Magnetometers angeordnet und es wird eine magnetische Hystereseschleife des induzierten Magnetismus (in Emu/gm) gegen dem äußeren Feld (in Oersted-Einheiten) aufgetragen. Während dieser Messung wird das Muster einem äußeren Feld von 0 bis 8.000 Oersted ausgesetzt.
- Bei magnetischer Sättigung und Immobilisierung eines Pulvermaterials in einem angelegten magnetischen Feld H mit allmählich steigender Stärke wird ein maximales oder gesättigtes magnetisches Moment, Bsat, in das Material induziert. Bei einer weiteren Steigerung des angelegten Feldes H wird keine weitere Steigerung des in das Material induzierten Moments zu beobachten sein. Falls das angelegte Feld andererseits allmählich auf Null verringert, dessen Polarität umgekehrt und danach das Moment wieder gesteigert wird, wird das induzierte Moment B des Pulvers schließlich Null werden und dann auf der Schwelle der Polaritätsumkehrung im induzierten Moment liegen. Der zum Auslösen der Verringerung der Remanenz, Br, auf Null benötigte Wert des angelegten Feldes H wird als Koerzitivkraft Hc des Materials bezeichnet. Die beschriebenen sanften magnetischen Pigmente, die unter Anwendung einer Magnetbürstenanordnung mit festem Kern und drehender Büchse in Trägerteilchen für das erfindungsgemäße DEP-Verfahren benutzt werden, weisen bei magnetischer Sättigung eine Koerzitivkraft von weniger als 250 Oersted, vorzugsweise eine Koerzitivkraft von höchstens 200 Oersted und besonders bevorzugt eine Koerzitivkraft von höchstens 100 Oersted auf.
- Als sanfte magnetische Trägerteilchen benutzt man vorzugsweise Kompositträgerteilchen mit einem Bindeharz und einer Mischung aus zwei Magnetiten mit unterschiedlicher Teilchengröße, wie in der EP-B 289 663 beschrieben. Die Teilchengröße beider Magnetite schwankt zwischen 0,05 und 3 um.
- Bei einer Magnetbürste des Typs mit drehendem Kern und drehender oder fester Büchse sind die Trägerteilchen vorzugsweise "harte" magnetische Teilchen (Träger B).
- Auch bei solch einer Magnetbürste ist der Einsatz von sowohl Homoteilchen als auch Kompositteilchen möglich. Die Homoteilchen sind vorzugsweise harte Ferritmakroteilchen. Harte magnetische Makroteilchen sind Teilchen, die bei magnetischer Sättigung eine Koerzitivkraft von wenigstens 250 Oe, am besten wäre 1.000 Oe aufweisen, wobei der Magnetisierungswert vorzugsweise wenigstens 20 Emu pro g Trägermaterial beträgt. Nutzbare harte magnetische Materialien sind harte Ferrite und Gammaeisenoxid. Harte Ferrite kennzeichnen sich durch eine ähnliche Zusammensetzung wie die obigen Ferrite, wobei typische Ionen wie Ba, Pb oder Sr benutzt werden, wie in der US-P 3 716 630 beschrieben.
- Man bevorzugt aber den Gebrauch von Kompositteilchen, die eine niedrigere relative Dichte aufweisen und einen flexibleren Aufbau erlauben. In diesem Fall liegen die harten magnetischen Teilchen in feiner Form, als Pigment bezeichnet, vor, doch sind im wesentlichen derselben chemischen Zusammensetzung (Träger B1).
- Die harten magnetischen Pigmente weisen dann eine Koerzitivkraft von wenigstens 250 Oe, vorzugsweise wenigstens 1.000 Oe und besonders bevorzugt wenigstens 3.000 Oe auf. In dieser Hinsicht sei bemerkt, daß wenn sich magnetische Materialien mit einer Koerzitivkraft von 3.000 und 6000 Oersted als nutzbar erwiesen haben, es keinen theoretischen Grund gebe, um anzunehmen, daß Materialien mit einer höheren Koerzitivkraft nicht nutzbar wären.
- Nutzbare harte magnetische Pigmente sind harte Ferrite und Gammaeisenoxid. Die harten Ferrite weisen dieselbe Zusammensetzung wie die obigen Ferrite auf, wobei typische Ionen wie Ba²&spplus;, Pb²&spplus; oder Sr²+ benutzt werden, wie in der US-P 3 716 630 beschrieben.
- Kompositträger mit einem Bindeharz und einer Mischung aus sowohl "sanften" als auch "harten" magnetischen Teilchen lassen sich ebenfalls als "harter" magnetischer Träger in einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren einsetzen. Bei Gebrauch eines Kompositträgers enthalten die Trägerteilchen vorzugsweise eine Mischung aus magnetischen Pigmentteilchen, wobei ein Teil (A) der Pigmentteilchen eine Koerzitivkraft von mehr als 250 Oe und ein anderer Teil (B) der magnetischen Pigmentteilchen eine Koerzitivkraft von weniger als 250 Oe aufweist und das Gewichtsverhältnis der Teile (A) und (B) zwischen 0,1 und 10 liegt.
- Obwohl der präzise Wert des induzierten magnetischen Moments der Trägerteilchen in Funktion der typischen Eigenschaften der Magnetbürstenanordnung eingestellt werden muß, weisen die Trägerteilchen von Träger A und Träger B, unabhängig vom Typ der in einem erfindungsgemäßen DEP-Gerät benutzten Magnetbürste, in einem Feld von 1.000 Oersted nach einer vollständigen Magnetisierung vorzugsweise ein induziertes magnetisches Moment B zwischen 10 und 100 Emu/gm, noch besser wäre zwischen 20 und 75 Emu/g bezogen auf das Trägergewicht auf.
- Die typische Teilchengröße der erfindungsgemäß zu benutzenden Trägerteilchen (Träger A sowie Träger B) kann in weiter Grenzen schwanken. Die Teilchengröße soll aber klein genug bemessen werden, um den wirksamen Flächeninhalt des Trägers zu steigern und letzteren den Tonerteilchen eine breitere Interaktionsoberfläche zu bieten lassen. Andererseits soll einigermaßen darauf geachtet werden, die Teilchen nicht zu fein zu machen, um eine zu schwache Bindung am magnetischen Feld der Magnetbürstenanordnung zu vermeiden. In solch einem Fall können die Teilchen durch Zentrifugalkräfte von der bewegenden Magnetbürste weggeschleudert, in elektrischen Felden viel zu einfach abgetrennt oder durch mechanischen Schlagkontakt der magnetischen Haare mit zusammenarbeitenden Bestandteilen des Markiergeräts, z. B. der Druckkopfstruktur, von der Bürste losgeschlagen werden. Vorzugsweise liegt die Teilchengröße zwischen 20 und 200 um, noch besser wäre zwischen 40 und 150 um. Der Durchmesser betrifft den typischen volumendurchschnittlichen Teilchendurchmesser der Trägerperlen, weil der durch Siebtechniken ermittelt werden kann. Die Trägerperlen können als solcher benutzt werden, d. h. unbeschichtet, oder können sowohl mit anorganischen als auch organischen oder gemischten Schichten überzogen werden. Typische Schichtstärken liegen zwischen 0,5 und 2,5 um. Die Schicht kann benutzt werden, um den Perlen verschiedene Eigenschaften wie zum Beispiel triboelektrische Aufladbarkeit, Reibungsverringerung, Abriebwiderstand usw. zu erteilen.
- Die in einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren benutzten Tonerteilchen können im wesentlichen jeder Art sein, was ihre Zusammensetzung, Form, Größe und Herstellungsverfahren und Vorzeichen ihrer triboelektrisch erhaltenen Ladung betrifft. In einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren können Schwarztoner und Farbtoner benutzt werden. Die Tonerzusammensetzung kann ladungsregulierende Zusatzmittel, Fließregler usw. enthalten. Beispiele für nutzbare Tonerzusammensetzungen finden sich z. B. in den EP 058 013, US-P 4 652 509, US-P 4 647 522, US-P 5 102 763.
- Der Toner für den Gebrauch in Kombination mit Trägerteilchen in einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren kann aus einer großen Verschiedenheit an Materialien, u. a. natürlichen und synthetischen Harzen und Ladungsreglern, gewählt werden, wie z. B. in den US-P 4 076 857 und 4 546 060 beschrieben. Die Form der Tonerteilchen kann irregulär sein, wie bei zermahlenen Tonern, oder sphäroidal. Sphäroidisation kann durch Sprühtrocknung oder die in der US-P 4 345 015 beschriebene Wärmedispergierungstechnik erzielt werden.
- In der WO 91/00548 wird der Gebrauch feiner Tonerteilchen mit typischen Teilchengrößeneigenschaften und Fließeigenschaften beschrieben. Solche feinen Tonerteilchen sind erfindungsgemäß sehr nutzbar.
- Bei Messung mit einem von COULTER ELECTRONICS Corp. Northwell Drive, Luton, Bedfordshire, LC 33, UK, vertriebenen COULTER COUNTER (eingetragenes Warenzeichen) Modell TA II Korngrößenanalysator, der gemäß den Prinzipien der Elektrolyt- Verschiebung in schmaler Öffnung arbeitet, weisen die erfindungsgemäßen Tonerteilchen vorzugsweise einen durchschnittlichen Volumendurchmesser (dv,&sub5;&sub0;) zwischen 3 und 20 um, noch besser wäre zwischen 5 und 10 um auf.
- Die Hauptschwierigkeit mit Tonerteilchen für den Gebrauch in einem DEP-Verfahren ist die Anwesenheit von Tonern mit falschem Vorzeichen. Um die Anwesenheit von Tonern mit falschem Vorzeichen zu vermeiden, kann den Tonerteilchen in triboelektrischem Kontakt mit den Trägerteilchen eine sehr hohe Ladung (entweder positiv oder negativ) erteilt werden. Dazu können die Tonerharze auf die Zusammensetzung des Trägers und die im Träger enthaltenen Substanzen (z. B. die Trägerteilchen- Schicht) abgestimmt werden, was ihre jeweiligen triboelektrischen Eigenschaften betrifft.
- Vorzugsweise erhalten die erfindungsgemäß zu benutzenden Tonerteilchen beim triboelektrischen Kontakt mit den Trägerteilchen eine in fC (femtoCoulomb) ausgedrückte, entweder negative oder positive Ladung (q), wobei 1 fC ≤ q ≤ 20 fC, noch besser wäre 1 fC ≤ q ≤ 10 fC.
- Zum Einsatz von Tonerteilchen mit ziemlich schwacher Ladung und zum Vermeiden von Toner mit falschem Vorzeichen benutzt man Tonerteilchen mit einer sehr homogenen Ladungsverteilung.
- Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemäß nutzbaren Tonerteilchen
- (1) wenigstens ein triboelektrisch aufladbares, thermoplastisches, als Bindemittel dienendes Harz mit einem Durchgangswiderstand von wenigstens 10¹³ Ω-cm, und
- (2) wenigstens eine widerstandserniedrigende Substanz mit einem unter dem Durchgangswiderstand des Bindemittels liegenden Durchgangswiderstand,
- wobei die Substanz(en) (2) den Durchgangswiderstand des Bindemittels um mindestens einen Faktor 3, 3 zu erniedrigen vermag (vermögen), falls sie in einem Gewichtsverhältnis von 5% bezogen auf das Bindemittel im Bindemittel enthalten ist (sind), und wobei das Tonerpulver mit eine Mischung aus den Ingredienzen (1) und (2) enthaltenden Tonerteilchen unter triboelektrischen Aufladungsbedingungen imstande ist, eine absolute mittlere (q) Ladung (x) von weniger als 20 fC, doch nicht weniger als 1 fC zu erhalten, und das Tonerpulver unter denselben triboelektrischen Aufladungsbedingungen, sondern ohne die Substanz(en) (2), eine absolute mittlere (q) Ladung (x) von wenigstens 50% höher erhält, als wenn die Substanz(en) (2) enthalten ist (sind), und wobei sich die Verteilung der Ladungswerte der einzelnen Tonerteilchen durch einen Variabilitätskoeffizienten v ≤ 0,5, vorzugsweise ≤ 0,33 kennzeichnet.
- Der Variabilitätskoeffizient (v) ist die durch den mittleren Wert (x) geteilte Standardabweichung (s).
- Die Spreitung der Ladungswerte einzelner Tonerteilchen mit den Ingredienzen (1) und (2) wird Standardabweichung (s) genannt und witd zum Erhalt von statistisch realistischen Werten bei einer Teilchenpopulationsanzahl von wenigstens 10.000 ermittelt. Die durch den mittleren Wert geteilte Standardabweichung soll erfindungsgemäß eine absolute Zahl von höchstens 0,5 ergeben, falls der mittlere q-Wert in fC ausgedrückt wird und von einer Kurve abgeleitet wird, in der die prozentuale Häufigkeits- Verteilung einer selben Ladung (in der y-Ordinate) gegen der Anzahl beobachteter Tonerteilchen (in der x-Abszisse) aufgetragen ist, wobei der mittlere Wert der Wert der x-Ordinate ist, bei dem der Bereich unter der Kurve in zwei gleiche Bereichsteile halbiert ist.
- Man bevorzugt den Variabilitätskoeffizienten (v), weil der sich mehr zu einer präzisen Messung der relativen Spreitung eignet als lediglich die Standardabweichung (s). Der Variabilitätskoeffizient wird unabhängig von den Einheiten, in den die Variable gemessen wird, bestimmt, vorausgesetzt, daß die Skalen ab Null beginnen [siehe Christopher Chatfield "Statistics for technology" A course in applied statistics - 3. Ausgabe (1986) Chapman and Hall Ltd, London, S. 33].
- Die triboelektrischen Eigenschaften der obenbeschriebenen Tonerteilchen werden gemäß TEST B gemessen.
- Die triboelektrischen Eigenschaften von Tonerteilchen werden mit einem wie schematisch in Abb. 2 dargestellt arbeitenden Ladungsspektrografen gemessen.
- Das benutzte Gerät wird vom Dr. R. Epping PES-Laboratorium D-8056 Neufahrn, Deutschland, unter dem Namen "q-Meter" vertrieben. Man benutzt den q-Meter, um die Verteilung der Tonerteilchenladung (q in fC) in bezug auf einen gemessenen Tonerdurchmesser (d in 10 um) zu messen. Das Meßergebnis wird als prozentuale Häufigkeit von Teilchen (in der Ordinate) mit einem selben q/d-Verhältnis gegen einem als fC/10 um ausgedrückten q/d-Verhältnis (in der Abszisse) ausgedrückt.
- Wie in Abb. 2 gezeigt, erfolgt die Messung auf Basis der unterschiedlichen, je nach dem q/d-Verhältnis der Tonerteilchen schwankenden, elektrostatischen Ablenkung triboelektrisch geladener, in einem Tonerteilchenbündel enthaltener Tonerteilchen, wobei das Bündel bei einer mittleren Geschwindigkeit vm durch einen laminaren Luftstrom in einer langen schmalen Röhre 21 getragen und dabei durch ein elektrisches Feld E, das durch eine Aufzeichnungselektroden- Platte 22 und eine Plattenelektrode 23 mit entgegengesetztem Vorzeichen im Vergleich zur Aufzeichnungselektrode senkrecht zur Achse der Röhre 1 gehalten wird, geführt wird. Die Elektroden bilden einen Kondensator mit einem Plattenabstand y (5 cm). Ein Bündel triboelektrisch geladener Tonerteilchen wird mittels eines Luftimpulses aus einem kleinen Topf 24, der einen Luftinjektionseinlaß 5 und eine bestimmte Menge an zu prüfendem triboelektrisch geladenem Toner enthält, in die Röhre 21 eingespritzt. Der Entwickler besteht aus magnetischen, mit Tonerteilchen vermischten Trägerteilchen. Die Trägerteilchen werden mittels eines durch einen am Topfboden befindlichen Elektromagnet erzeugten magnetischen Feldes im Topf 24 gehalten, während die Tonerteilchen in einem laminaren Strom aus dem Topf weg befördert werden.
- In dieser Anordnung fallen alle Tonerteilchen mit einem konstanten q/d-Verhältnis gemäß ihrem Ladungsvorzeichen auf der Elektrode mit entgegengesetztem Vorzeichen in der Röhre aus. Das Ausfallen erfolgt wie eine Tonerspektrumlinie an einem Punkt "x" in der Röhre, so daß q/d = f (x).
- Der aufgezeichnete (durch Niederschlag in der Abwesenheit eines laminaren Stroms erhaltene) Tonerniederschlag bei x = 0 wird benutzt, um die Ausrüstung zu steuern und eine einfache Analyse der erhaltenen Aufnahmen zu ermöglichen. Bei einem Plattenabstand von y = 50 mm von diesem zum Erzeugen des elektrischen Feldes E benutzten Kondensator kann die folgende Gleichung zur Ermittlung des q/d-Wertes von an verschiedenen Punkten "x" ausgefallenen Tonerteilchen benutzt werden:
- q E = 3 π η vm d y/x
- in der.
- q in fC ausgedrückt wird, E das elektrische Feld in kV/y ist, d in 10-um-Einheiten ausgedrückt wird, π 3,14.. ist, η die Luftviskosität ist, und x und y in mm ausgedrückt werden.
- Wird der Luftstrom AF in Liter/Min. ausgedrückt, so wird der q/d-Wert anhand der folgenden Gleichung berechnet:
- q/d(fC/10 um) = a 36 AF (Ltr/Min.)/V(kV) x(mm)
- in der bedeuten:
- V die Spannung zwischen den Elektroden und "a" einen Korrektionsfaktor für eine beschränkte Breite der Aufzeichnungselektrode.
- Mittels eines mit einem Bildanalysator arbeitenden Fotomikroskops (an einer CCD-Videokamera gekuppelten Mikroskops) werden die Menge ausgefallener Tonerteilchen und der Prozentsatz von an derselben Stelle ausgefallenem Toner bestimmt.
- Ausgehend vom mittleren q/d-Wert wird die mittlere Ladung der Tonerteilchen durch die folgende Gleichung berechnet:
- ,in der dv,50 in um ausgedrückt wird.
- Für weitere detaillierte Information zum Betrieb des "q-Meters" sei auf dessen Betriebsanleitung von März 1988 verweisen.
- Tonerzusammensetzungen mit einer schmalen Ladungsverteilung sind in den hierin als Verweis erwähnten WO 94/029770, WO 94/027192 und WO 94/027191 beschrieben.
- Für sowohl negativ aufladbare als auch positiv aufladbare Toner zählt die Substanz (2), die den Durchgangswiderstand des Bindemittels um mindestens einen Faktor 3, 3 zu erniedrigen vermag, falls sie in einem Gewichtsverhältnis von 5% bezogen auf das Gewicht des Bindemittels im Bindemittel enthalten ist, zu den folgenden Klassen von Verbindungen
- - Oniumverbindungen,
- - Metallsalze mit verhältnismäßig großen (massenartigen) anionischen Gruppen,
- - Betaine
- - Aminosäuren,
- - Metallkomplexverbindungen,
- - ionisch leitfähige Polymere, in denen die Polymerkette anionische Gruppen, z. B. Sulfonatgruppen, trägt,
- - nicht-ionische antistatische Polyether, und
- - elektronisch leitfähige Polymere, z. B. Polyaniline, Polypyrrole und Polythiofene.
- Die Bezeichnung "Oniumverbindungen" in der vorliegenden Erfindung deutet auf "Verbindungen mit einem organischen Kation", denn die Bezeichnung umfaßt nicht nur Verbindungen mit dem Suffix "Onium" sondern ebenfalls "Olium" "Inium" "Ylium" "Enium" usw. (siehe Chemical Abstracts - Band 56 (1962) Januar- Juni, Nomenclature, Seiten 59 N bis 60 N).
- Dennoch lösen nicht alle zu den erwähnten Klassen zählenden Verbindungen die erforderliche Erniedrigung des Durchgangswiderstands aus. Wie oben erwähnt soll ein Verhältnis von 5 Gew.-% in der Bindemittelzusammensetzung den Durchgangs- Widerstand des Bindemittels um mindestens einen Faktor 3,3 erniedrigen.
- Der Meßvorgang zur Auswahl der den Durchgangswiderstand erniedrigenden Substanz erfolgt gemäß dem nachstehend beschriebenen Test R.
- Das zu testende Harz oder Harzgemisch wird durch Schmelzmischen mit der widerstandserniedrigenden Substanz, die in einer Menge von 5 Gew.-% bezogen auf die Harzmasse zugegeben wird, vermischt. Das Schmelzmischen erfolgt 30 Minuten bei 110ºC in einer (von Brabender OGH Kulturstra E 51-55 D4100 Duisburg 1, vertriebenen) Schmelzknetvorrichtung des Typs W50H.
- Nach dem Schmelzmischen läßt man das Produkt erstarren, wonach es in einer Laboratoriummühle des Typs A10 (vertrieben von Janke und Kunkel - Deutschland) zermahlen wird. Das Produkt wird über einer 63 um-Masche gesiebt. Die gesiebte Fraktion wird gesammelt und bei einem Druck von 10 Tonne Vollast 1 Minute lang zu einer kreisförmigen Tablette mit einem Durchmesser von 13 mm und einer Höhe von 1,15 mm zusammengedrückt.
- Die Leitfähigkeit wird nach einer 24stündigen Klimatisierung bei 20ºC und 50% relativer Feuchtigkeit gemessen. Die Tablette wird mittels einer Koronabehandlung mit einer Spannung von 1.100 V beschickt und die Leitfähigkeit wird dadurch bestimmt, daß die Spannung nach 10 Minuten Ladungsabfallzeit gemessen und mit der Anfangsspannung verglichen wird. Ausgehend von dieser Messung wird der in Ohm. cm ausgedrückte spezifische Widerstand oder Durchgangswiderstand Ps durch die folgende Gleichung bestimmt:
- ρs = t/3,3 · 8,854 · 10&supmin;¹&sup4; · ln(Ua/Ub)
- in der bedeuten:
- ρs = Durchgangswiderstand (Ohm-cm)
- t = Ladungsabfallzeit (t = 10 Minuten)
- Ua = Ladungspotential bei t = 0 Minuten
- Ub = Ladungspotential bei t = 0 Minuten
- Zum Erhalt eines hochqualitativen elektrostatischen Entwicklers werden die obenbeschriebenen Tonerteilchen und Trägerteilchen schließlich miteinander kombiniert. Zur Herstellung dieser Kombination werden die Tonerteilchen und Trägerteilchen in einem Gewichtsverhältnis von 1,5/100 bis 15/100, vorzugsweise 3/100 bis 10/100, miteinander vermischt. Zur Verbesserung der Fließfähigkeit der erfindungsgemäßen Entwicklerzusammensetzung können erfindungsgemäße Tonerteilchen mit Fließmitteln vermischt werden. Diese die Fließfähigkeit verbessernden Zusatzmittel sind vorzugsweise sehr feinverteilte anorganische oder organische Materialien, deren primäre (d. h. nicht-angehäufte) Korngröße höchstens 50 nm beträgt. Weitverbreitet benutzt in diesem Zusammenhang sind abgedampfte anorganische Elemente der Metalloxidklasse, z. B. Kieselsäure (SiO&sub2;), Tonerde (Al&sub2;O&sub3;), Zirkonoxid, Titandioxid oder Mischoxide derselben mit einer hydrophilen oder hydrophobierten Oberfläche. Die abgedampften Metalloxidteilchen haben eine glatte, wesentlich sphärische Oberfläche und sind vorzugsweise mit einer hydrophoben, z. B. durch Alkylierung oder durch Behandlung mit organischen Fluorverbindungen erzeugten Schicht überzogen. Ihr wirksamer Flächeninhalt liegt vorzugsweise zwischen 40 und 400 m²/g.
- In bevorzugten Ausführungsformen werden die abgedampften Metalloxide wie Kieselsäure (SiO&sub2;) und Tonerde (Al&sub2;O&sub3;) in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Tonerteilchen, extern den Endtonerteilchen zugemischt.
- Abgedampfte Kieselsäureteilchen werden unter den Markennamen AEROSIL und CAB-O-Sil von Degussa, Frankfurt/M Deutschland bzw. Cabot Corp. Oxides Division, Boston, Mass., USA, vertrieben. Man benutzt zum Beispiel AEROSIL 8972 (Handelsname), eine abgedampfte hydrophobe Kieselsäure mit einem wirksamen Flächeninhalt (BET-Wert) von 110 m²/g. Der wirksame Flächeninhalt kann gemäß einer von Nelsen und Eggertsen in "Determination of Surface Area Adsorption measurements by continuous Flow Method", Analytical Chemistry, Band 30, Nr. 9 (1958) S. 1387-1390, beschriebenen Methode gemessen werden.
- Außer dem abgedampften Metalloxid kann die in einem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren zu benutzende Entwickler- Zusammensetzung eine Metallseife wie z. B. Zinkstearat enthalten, wie in der GB-P 1 379 252 beschrieben, in der ebenfalls auf den Gebrauch von fluorhaltigen polymeren Teilchen von der Submikrongröße als die Fließfähigkeit verbessernden Mittel verwiesen wird.
- Ein erfindungsgemäßes DEP-Verfahren kann derart gesteuert werden, daß damit nicht nur Schwarzweißbilder, d. h. bei "binärer" Anwendung des DEP-Verfahrens, sondern ebenfalls Bilder mit einer Vielzahl von Grauskalen erhalten werden.
- Grauskaladruck kann entweder durch eine Amplitudenmodulation der auf der Steuerelektrode angelegten Spannung V3 oder durch eine Zeitmodulation der an der Steuerelektrode angelegten Spannung V3 gesteuert werden. Durch Anpassung des Arbeitszyklus der Zeitmodulation bei einer bestimmten Frequenz ist es möglich, äußerst feine Unterschiede in Grauskalen zu drucken. Der Grauskaladruck kann ebenfalls durch eine Kombination einer Amplitudenmodulation und einer Zeitmodulation der an der Steuerelektrode angelegten Spannung V3 gesteuert werden. Dank der verbesserten Stabilität läßt sich das erfindungsgemäße DEP-Verfahren auf eine reproduzierbare Weise bei einem höheren Auflösungsvermögen anwenden, denn sogar in kleineren Öffnungen wird die Behinderung des Tonerstrahlvorgangs stark eingedämmt.
- Dank der Kombination des gesteigerten Auflösungsvermögens und der Möglichkeiten für Mehrniveau -Rasterdrucktechniken können mit dem erfindungsgemäßen DEP-Verfahren Bilder mit gesteigerter Bildqualität erhalten werden, ohne ein komplexes, kostspieliges und unzuverlässiges Gerät entwerfen und bauen zu müssen.
- Es kann vorteilhaft sein, ein erfindungsgemäßes DEP-Gerät, in dem die Tonerwolke direkt aus einer Magnetbürstenanordnung erzeugt wird, in einem einzelnen Apparat mit einem herkömmlichen elektrografischen Gerät, in dem ein latentes elektrostatisches Bild auf einer ladungsaufrechterhaltenden Oberfläche mittels eines geeigneten Materials entwickelt wird, um das latente Bild sichtbar zu machen, zu kombinieren. In solch einem Apparat bilden das erfindungsgemäße DEP-Gerät und das herkömmliche elektrografische Gerät zwei unterschiedliche Geräte, mit denen auf einem einzelnen Bogen oder Substrat sowohl Bilder mit unterschiedlichen Grauskalen als auch alfanumerische Symbole und/oder Striche gedruckt werden. In solch einem Apparat kann das erfindungsgemäße DEP-Gerät zum Drucken von fein eingestellten Grauskalen (z. B. Abbildungen, Lichtbildern, medizinischen Bildern usw. mit feinen Grauskalen) und das herkömmliche elektrografische Gerät zum Drucken von alfanumerischen Symbolen, Stricharbeiten usw., bei denen keine Feineinstellung von Grauskalen benötigt wird, eingesetzt werden. Ein solcher Apparat, in dem ein erfindungsgemäßes DEP-Gerät mit einem herkömmlichen elektrografischen Gerät kombiniert wird, vereinigt die starken Punkte beider Druckverfahren.
- In allen Beispielen wird dieselbe nachstehend beschriebene Druckkopfstruktur benutzt.
- Es wird eine Druckkopfstruktur aus einem doppelseitig mit einem 15 um starken Kupferfilm überzogenen Polyimidfilm mit einer Stärke von 100 um hergestellt. Die Druckkopfstruktur hat eine kontinuierliche, dem Tonerzufuhrelement gegenüberliegende Elektrodenoberfläche und eine komplexe, ansteuerbare, dem Empfangsoberfläche gegenüberliegende Elektrodenstruktur. In diesem Beispiel wird keine dritte Elektrode eingesetzt. Die ansteuerbare Elektrodenstruktur wird gemäß herkömmlichen, aus der Mikroelektronikindustrie bekannten Techniken und unter Anwendung von Fotolackmaterial und Filmbelichtungs- und darauffolgenden Ätztechniken hergestellt. In diesem Beispiel werden keine Oberflächenüberzüge benutzt. Die Öffnungen haben einen Durchmesser von 150 jim und werden von einer kreisförmigen Elektrodenstruktur in Form eines Ringes mit einer radial vom Rand der 150 um-Öffnungen gemessenen Breite von 225 um umgeben. Die Öffnungen werden mit einem Zwischenabstand von 100 um angeordnet, wodurch eine Gesamtreproduzierbarkeit des Bildes von 250 dpi erhalten wird. Das Potential aller Elektroden kann separat eingestellt werden, während andere Elemente mit ihrer kompletten entsprechenden Struktur an ein einzelnes elektrisches Potential angeschlossen sind.
- In den Beispielen 1 bis 12 ist das Tonerzufuhrelement eine Magnetbürste des nachstehend beschriebenen Typs mit festem Kern und drehender Büchse (Magbrush A).
- Die Entwicklungsanordnung enthält zwei Mischschaufeln, die den Entwickler durch die Einheit befördern und Toner mit Entwickler vermischen, und eine Dosierwalze.
- Die Magnetbürstenanordnung besteht aus der sogenannten magnetischen Walze, die in diesem Fall innerhalb der Walzenanordnung einen festen magnetischen Kern mit 9 magnetischen Polen mit einer Magnetfeldintensität von 500 Gauss umfaßt und offen angeordnet ist, damit verbrauchter Entwickler von der magnetischen Walze fallen kann. Die magnetische Walze umfaßt ebenfalls eine um den festen magnetischen Kern angeordnete Büchse, wodurch der Gesamtdurchmesser der Magnetbürstenanordnung 20 mm beträgt. Die Büchse besteht aus rostfreiem Stahl, das mit einem feinen Korn angerauht ist und somit zu einer besseren Beförderung beiträgt (< 50 um).
- Mit einem Schabmesser wird der Entwickler von der magnetischen Walze abgetrennt. Daneben benutzt man einen Rakel, um eine kleine Menge Entwickler auf die Oberfläche der Magnetbürstenanordnung zu dosieren. Die Drehgeschwindigkeit der Büchse beträgt 100 TpM und die Geschwindigkeit der Innenelemente wird derart eingestellt, daß eine gute Innenbeförderung in der Entwicklungseinheit gesichert wird.
- Man benutzt drei Typen von Trägerteilchen zum Ausführen des DEP-Verfahrens gemäß den Beispielen 1 bis 12.
- 1. Träger A1, einen makroskopischen "sanften" Ferritträger. Träger A1 enthält einen MgZn-Ferrit mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 um und einer Sättigungsmagnetisierung von 29 Emu/g und ist mit einer 1 um starken Acrylschicht überzogen. Das Material weist nahezu keine Remanenz auf.
- 2. Träger A2, einen makroskopischen, unbeschichteten, "sanften" Ferritträger.
- Träger A2 enthält einen unbeschichteten CuZn-Ferrit mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 um und einer Sättigungsmagnetisierung von 33 Emu/g. Das Material weist nahezu keine Remanenz auf.
- 3. Träger A3, einen "sanften" Kompositträger.
- Eine Mischung aus.
- 1) 185 Teilen eines teilweise vernetzten Polyesters von propoxyliertem Bisphenol A, das mit einer Mischung aus Isophthalsäure und Benzol-1,2,4-tricarbonsäure polykondensiert ist, wobei der Polyester einen Erweichungspunkt von 132ºC (Ring- und Kugelmethode), einen Einfrierpunkt von 64ºC und einen Säurewert von 18 mg KOH/g aufweist,
- 2) 375 Teilen von spheroidalem Magnetit A mit einer Ölabsorptionszahl von 16, einer durchschnittlichen Korngröße von 0,5 um, einer Sättigungsmagnetisierung von 81 Emu/g und einer Remanenz von 8,1 Emu/g, wobei der Magnetit von Bayer AG, Deutschland, unter dem Handelsnamen BAYFERROX vertrieben wird, und
- 3) 440 Teilen von spheroidalem Magnetit B mit einer Ölabsorptionszahl von 31, einer durchschnittlichen Korngröße von 0,2 um, einer Sättigungsmagnetisierung von 84 Emu/g, einer maximalen Sättigungsmagnetisierung von 84 Emu/g und einer Remanenz von 8,2 Emu/g, wobei der Magnetit von Titan Kogyo, Japan, unter dem Handelsnamen MAPICO Black 200 vertrieben wird, wird 30 Min. bei 162ºC in geschmolzenem Zustand verknetet.
- Nach Abkühlung wird die verknetete Masse in einer Prallmühle pulverisiert und werden Pulverteilchen mit einer Korngröße zwischen 36 und 100 um mit Sieben mit einer geeigneten Masche abgetrennt.
- Die magnetischen Eigenschaften, d. h. die Magnetisierung bei 1.000 Oe in Emu/g und die Koerzitivkraft (Hc) in Oe des Trägers werden gemessen und betragen 53 Emu/g bzw. 97 Oe.
- In den Druckexperimenten gemäß den Beispielen 1 bis 12 wird die nachstehende Tonerzusammensetzung benutzt.
- 1. Toner T1 97 Teile eines Copolyesterharzes von Fumarsäure und propoxyliertem Bisphenol A mit einem Säurewert von 18 und einem Durchgangswiderstand von 5,1 · 1016 Ohm. cm wird in geschmolzenem Zustand 30 Min. bei 110ºC in einer Laboratoriumknetmaschine mit 3 Teilen Cu-Phthalocyaninpigment (Colour Index PB 15 : 3) vermischt. Als widerstandsverringernde Substanz wird, bezogen auf das Bindemittel, 0,5% eines Oniumsalzes K mit der nachstehenden Strukturformel zugegeben. Dem obenbeschriebenen Test R läßt sich entnehmen, daß das Zumischen von 5% des Oniumsalzes K im benutzten Bindeharz den Durchgangswiderstand des Bindeharzes auf 5 · 1014 Ohm-cm verringert hat, was auf eine hohe widerstandsverringernde Fähigkeit deutet (Reduktionsfaktor : 100).
- Nach Abkühlung wird die erstarrte Masse mit einer ALPINE- Fliessbettgegenstrahlmühle des Typs 100AFG (Handelsname) pulverisiert und zermahlen und dann mit einer ALPINE-Multiplex- Zick-Zack-Sichter des Typs 100MZR (Handelsname) weiter windgesichtet. Die erhaltene, mit einem Coulter Counter Modell Multisizer (Handelsname) gemessene Korngrößenverteilung des gesichteten Toners hat einen zahlendurchschnittlichen Wert von 6,3 um und einen volumendurchschnittlichen Wert von 8,2 um. Die volumendurchschnittliche Korngröße wird nachstehend als dv,50 bezeichnet. Zur Verbesserung der Fließfähigkeit der Tonermasse werden die Tonerteilchen mit 0,5% hydrophoben kolloidalen Kieselsäureteilchen (BET-Wert 130 m²/g) vermischt. Oniumsalz K
- Triboelektrische Eigenschaften der Träger-Toner-Kombinationen
- Zur Herstellung eines elektrostatografischen Entwicklers wird die Mischung aus Tonerteilchen und kolloidaler Kieselsäure in einem Gewichtsverhältnis von x% mit obendefinierten Trägerteilchen vermischt (in Tabelle 1 werden die verschiedenen x-Werte aufgelistet). Die triboelektrische Aufladung der Toner- Träger-Mischung erfolgt durch 10minütiges Vermischen der Mischung in einer Standardtaumelanordnung. Die Entwicklermischung wird 5 Min. in der Entwicklungseinheit (Magnetbürstenanordnung Magbrush A) benutzt, worauf eine Probe vom Toner genommen wird und die triboelektrischen Eigenschaften gemäß dem obenbeschriebenen TEST B gemessen werden.
- Vier Entwicklermischungen werden hergestellt und ihre triboelektrischen Eigenschaften werden gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 aufgelistet. TABELLE 1
- In Tabelle 1 ist
- wobei dv,50 in um ausgedrückt wird.
- Zur Herstellung von direkten elektrostatischen Abzügen wird ein Entwickler mit Träger A1 und 4 Gew.-% Toner T1, bezogen auf den Träger, in die Magnetbürstenanordnung Magbrush A eingeführt. Die Bürste hat ein sehr dünnes und glattes Aussehen. Die gemäß TEST A gemessene Stärke, L, der Bürste beträgt 350 um. Nachstehend deutet die Bezeichnung "Stirnseite der Druckkopfstruktur" auf die Seite der Druckkopfstruktur, die der Büchse der Magnetbürstenanordnung (d. h. der Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung) gegenüberliegt.
- Der Abstand, 1, zwischen der Stirnseite der Druckkopf- Struktur und der Büchse der Magnetbürstenanordnung wird auf 450 um eingestellt.
- Der Abstand zwischen der Rückseite der Druckkopfstruktur und dem über die Gegenelektrode laufenden Papier beträgt 150 um und die Durchlaufgeschwindigkeit des Papiers beträgt 2 cm/s. An den verschiedenen Elektroden werden die nachstehenden elektrischen Potentiale angelegt (es sei auf Abb. 1 verwiesen):
- - an der Büchse der Magnetbürste wird ein Gleichstrom V1 von 0 V angelegt, kombiniert mit einem Wechselstromfeld, das ein oszillierendes Rechteckwellenfeld von 3 kHz mit einer Spitze-zu- Spitze-Amplitude von 2.000 V ist,
- - an der Schirmelektrode wird ein Gleichstrom V2 von 0 V angelegt,
- - an der Steuerelektrode wird rund um jede Öffnung eine Spannung V3 von 0 V angelegt, und
- - an der Gegenelektrode wird eine Spannung V4 von +400 V angelegt.
- In diesen Bedingungen wird ein voller Schwarzabzug mit einer Aufsichtsdichte von 1,80 erhalten. Nach einem Druckgang von 8 aufeinanderfolgenden Stufen ist weder eine Verstopfung noch eine Verschmutzung der Stirnseitenelektrode zu beobachten. Auch die Steuereigenschaften der Anordnung bleiben unverändert.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß an der Steuerelektrode rund um jede Öffnung eine Spannung V3 von -175 V angelegt wird.
- In diesen Bedingungen wird ein homogener Grauabzug mit einer Aufsichtsdichte von 0,80 erhalten. Nach einem Druckgang von 8 aufeinanderfolgenden Stunden ist weder eine Verstopfung noch eine Verschmutzung der Stirnseitenelektrode zu beobachten. Auch die Steuereigenschaften der Anordnung bleiben unverändert.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß an der Steuerelektrode rund um jede Öffnung eine Spannung V3 von -350 V angelegt wird.
- In diesen Bedingungen ist gar kein Tonerniederschlag zu beobachten.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 3 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß an der Steuerelektrode rund um jede Öffnung eine Spannung V3 von -350 V angelegt wird, ausgenommen an einer Öffnung.
- In diesen Bedingungen wird ein voller, scharf abgegrenzter Strich mit einer Breite von 125 um erhalten. Das Druckexperiment dauert auch hier 8 aufeinanderfolgende Stunden. Nach diesem Zeitraum ist weder eine Verstopfung noch eine Verschmutzung der Stirnseitenelektrode zu beobachten. Auch die Steuereigenschaften der Anordnung bleiben unverändert.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß man die an der Steuerelektrode rund um jede Öffnung angelegte Spannung V3 bei einer Frequenz von 200 Hz und einem Arbeitszyklus von 50% zwischen 0 und -350 V schwanken läßt. In diesen Bedingungen wird ein homogener Grauabzug mit einer Aufsichtsdichte von 0,90 erhalten. Das Druckexperiment dauert auch hier 8 aufeinanderfolgende Stunden. Nach diesem Zeitraum ist weder eine Verstopfung noch eine Verschmutzung der Stirnseitenelektrode zu beobachten. Auch die Steuereigenschaften der Anordnung bleiben unverändert.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß an der Büchse der Magnetbürstenanordnung in Kombination mit dem Gleichstrompotential V1 kein Wechselstromfeld angelegt wird. Das Potential V1 wird auf -1.500 V eingestellt.
- In diesen Bedingungen wird kein voller Schwarzabzug, sondern nur ein nicht homogener Grauabzug mit einer Aufsichtsdichte von 0,40 erhalten. Das Druckexperiment dauert auch hier 8 aufeinanderfolgende Stunden. Nach diesem Zeitraum ist weder eine Verstopfung noch eine Verschmutzung der Stirnseitenelektrode zu beobachten. Auch die Steuereigenschaften der Anordnung bleiben unverändert.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß der Abstand 1 zwischen der Stirnseite der Druckkopfstruktur und Büchse der Magnetbürstenanordnung auf 275 um eingestellt wird.
- In diesen Bedingungen ist ein normaler Betrieb möglich. Nur bei der Steigerung der Spannung V3 auf -450 V ist ein schwacher Trägerverlust zu beobachten.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß der Abstand 1 zwischen der Stirnseite der Druckkopfstruktur und der Büchse der Magnetbürstenanordnung auf 225 um eingestellt wird.
- In diesen Bedingungen ist unabhängig von den Potentialeinstellungen an den verschiedenen Elektroden eine Einspritzung der Trägerteilchen in die Druckkopfstruktur und auf die Abzüge zu beobachten, was zu einem Trägerverlust und einer Verschlechterung des Bildes führt.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß der Abstand 1 zwischen der Stirnseite der Druckkopfstruktur und der Büchse der Magnetbürstenanordnung auf 1.500 um eingestellt wird. Nur bei einer Steigerung der Spannung des mit V1 an der Büchse der Magnetbürste kombinierten Wechelstromfeldes auf 9.000 Volt Spitze-zu-Spitze ist Tonerniederschlag zu beobachten. Dieser hohe Spannungswert behindert eine stabile Stromversorgung. Auch die Menge ausgefallener Toner wird instabil in der Zeit.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß Toner T1 in einem Gewichtsverhältnis von 10% statt 4%, bezogen auf den Träger, benutzt wird. Tabelle 1 läßt sich entnehmen, daß der in einem Gewichtsverhältnis von 10% in Kombination mit Träger A1 benutzte Toner T1 eine niedrigere Ladung und breitere Ladungsverteilung aufweist.
- Es ist kein negativer Einfluß in bezug auf die Stabilität und die Verstopfung zu beobachten. Um ein normales Funktionieren für 8 aufeinanderfolgende Stunden mit diesem schwach geladenen Toner zu sichern, müssen trotzdem die verschiedenen Potentiale und insbesondere das die Tonerwolke bildende Wechselstromfeld um einen Faktor 1,6 im Vergleich zu den verschiedenen in Beispiel 1 angewendeten Potentialen gesteigert werden.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 1 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß statt Träger A1 Träger A2 benutzt wird. Wie sich Tabelle 1 entnehmen läßt, weist der in einem Gewichtsverhältnis von 4% in Kombination mit Träger A2 benutzte Toner T1 eine sehr kleine Ladung und eine breite Ladungsverteilung auf, jedoch ohne Teilchen mit falschem Vorzeichen.
- Die Stärke, L, der Entwicklerschicht auf der Büchse der Magnetbürstenanordnung beträgt 500 um und der Abstand, 1, zwischen der Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung und der Stirnseite der Druckkopfstruktur wird auf 750 um eingestellt. Wir haben festgestellt, daß wegen der niedrigen Ladung der Tonerteilchen die elektrischen Potentiale auf höhere Werte gesteigert werden müssen. Das Wechselstromfeld muß auf 4.000 V Spitze-zu-Spitze gesteigert werden, während in Beispiel 1 mit einem Wechselstromfeld von 2.000 V Spitze-zu-Spitze gute Druckergebnisse erhalten wurden. Die höheren Spannungen stellen die oberen Grenzen für ein korrektes und stabiles Funktionieren des Geräts dar. Man glaubt, daß die breite Ladungsverteilung das stabile Funktionieren des Geräts beeinträchtigt.
- Es werden analog zum Vorgang in Beispiel 11 direkte elektrostatische Abzüge erzeugt, mit dem Unterschied, daß statt Träger A2 Träger A3 benutzt wird. Wie sich Tabelle 1 entnehmen läßt, weist der in einem Gewichtsverhältnis von 7% in Kombination mit Träger A3 benutzte Toner T1 eine zwischen der Ladung der in Beispiel 1 benutzten Tonerteilchen und der Ladung der in Beispiel 11 benutzten Tonerteilchen liegende Ladung auf.
- Die Stärke, L, der Entwicklerschicht auf der Büchse der Magnetbürstenanordnung beträgt 500 um und der Abstand, 1, zwischen der Bezugsfläche der Magnetbürstenanordnung und der Stirnseite der Druckkopfstruktur wird auf 500 um eingestellt.
- In diesem Fall kann zwar bei akzeptablen Potentialen ein gutes Funktionieren des Geräts erzielt werden, allerdings müssen im Vergleich zu den in Beispiel 1 erforderlichen Potentialen alle Potentiale um einen Faktor 1,6 gesteigert werden. Auch hier ist es für ein gutes Funktionieren von größter Bedeutung, das Wechselstromfeld zu steigern.
- In diesem Beispiel ist das Tonerzufuhrelement eine Magnetbürste des Typs mit drehendem Kern und drehender Büchse (Magbrush B).
- Man benutzt eine ähnliche Anordnung wie bei Magbrush A, mit dem Unterschied, daß der magnetische Innenkern symmetrisch ist (8 Pole von 750 Gauss) und einen Durchmesser von 31,4 mm aufweist. Der Kern dreht sich gegen den Uhrzeigersinn mit einer Geschwindigkeit von 1.500 TpM und die Büchse im Uhrzeigersinn bei 80 TpM. Das Schabmesser in der Entwicklungseinheit wird auf eine Öffnung von 500 um eingestellt. Man benutzt einen Rakel, um Entwickler von der Magnetbürstenanordnung abzukratzen und die Entwicklermenge auf der Bürste innerhalb der Entwicklungseinheit zu erneuern.
- In diesem Beispiel benutzt man einen "harten" Kompositträger. Träger B1
- Eine Mischung aus:
- (1) 19 Teilen eines teilweise vernetzten Polyesters von propoxyliertem Bisphenol A, das mit einer Mischung aus Isophthalsäure und Benzol-1,2,4-tricarbonsäure polykondensiert ist, wobei der Polyester einen Erweichungspunkt von 132ºC (Ring- und Kugelmethode), einen Einfrierpunkt von 64ºC und einen Säurewert von 18 mg KOH/g aufweist,
- (2) 33 Teilen eines harten magnetischen Pigments mit einer Ba enthaltenden Ferritstruktur mit einer Koerzitivkraft von 3.705 Oe - nach Magnetisierung des Pigments -, einer Remanenz von 31 Emu/g, einer Sättigungsmagnetisierung von 61 Emu/g, und einer Korngröße von etwa 0,2 um,
- (3) 48 Teilen eines sanften magnetischen Pigments mit einer Magnetitstruktur mit einer Koerzitivkraft von 130 Oe - nach Magnetisierung des Pigments -, einer Remanenz von 7 Emu/g, einer Sättigungsmagnetisierung von 78 Emu/g, und einer Korngröße von etwa 0,5 um, wird 30 Min. bei 185ºC in geschmolzenem Zustand verknetet. Nach Abkühlung wird die verknetete Masse in einer Prallmühle pulverisiert und werden Pulverteilchen mit einer Korngröße zwischen 25 und 50 um gemäß geeigneten Siebtechniken abgetrennt.
- Die erhaltenen Teilchen erhalten ihre magnetischen Kennzeichnen, nachdem sie nach der Magnetisierung zu einer festen Masse geschmolzen sind. Man mißt eine Koerzitivkraft von 275 Oe und eine magnetische Induktion von 60 Emu/g bei 1.000 Oe. Der Träger wird bis Sättigung magnetisiert.
- In diesem Beispiel wird Toner T1 benutzt.
- Triboelektrische Eigenschaften der Träger-Toner-Kombination
- Zur Herstellung eines elektrostatografischen Entwicklers wird eine Mischung aus Tonerteilchen (Toner T1) und kolloidaler Kieselsäure in einem Gewichtsverhältnis von 4% mit obendefinierten Trägerteilchen (Träger B1) vermischt. Die triboelektrische Aufladung der Toner-Träger-Mischung erfolgt durch 10minütiges Vermischen der Mischung in einer Standardtaumelanordnung. Die Entwicklermischung wird 5 Min. in der Entwicklungseinheit (Magnetbürstenanordnung Magbrush B) eingesetzt, worauf eine Probe vom Toner genommen wird und die triboelektrischen Eigenschaften gemäß dem obenbeschriebenen TEST B gemessen werden.
- Toner T1 in Kombination mit Träger B ergibt die nachstehenden triboelektrischen Eigenschaften (Tabelle 2): TABELLE 2
- In Tabelle 2 ist
- wobei dv,50 in um ausgedrückt wird.
- Zur Herstellung von direkten elektrostatischen Abzügen wird ein Entwickler mit Träger B1 und 4 Gew.-% Toner T1 in eine Magnetbürstenanordnung Magbrush B eingeführt.
- Die Bürste weist eine mittlere Stärke auf, aber ist sehr glatt. Die gemäß TEST A gemessene Stärke, L, der Bürste beträgt 500 um.
- Nachstehend deutet die Bezeichnung "Stirnseite der Druckkopfstruktur" auf die Seite der Druckkopfstruktur, die der Büchse der Magnetbürstenanordnung gegenüberliegt.
- Der Abstand, L, zwischen der Stirnseite der Druckkopfstruktur und der Büchse der Magnetbürstenanordnung wird auf 700 um eingestellt.
- Der Abstand zwischen der Rückseite der Druckkopfstruktur und dem über die Gegenelektrode laufenden Papier beträgt 150 um und die Durchlaufgeschwindigkeit des Papiers beträgt 2 cm/s. An den verschiedenen Elektroden werden die nachstehenden elektrischen Potentiale angelegt (es sei auf Abb. 1 verwiesen):
- - an der Büchse der Magnetbürste wird ein Gleichstrom V1 von -200 V angelegt,
- - an der Schirmelektrode wird ein Gleichstrom V2 von 0 V angelegt,
- - an der Steuerelektrode wird rund um jede Öffnung eine Spannung V3 von 0 V angelegt, und
- - an der Gegenelektrode wird eine Spannung V4 von +400 V angelegt.
- An der Büchse der Magnetbürste wird mit der Gleichstromspannung V1 kein Wechselstromfeld kombiniert. Die Büchse der Magnetbürste dreht sich im Uhrzeigersinn bei einer Geschwindigkeit von 80 TpM und der Kern gegen den Uhrzeigersinn bei 1.500 TpM.
- Obwohl an der Büchse der Magnetbürste kein Wechselstromfeld mit der Gleichstromspannung V1 kombiniert ist, wird in diesen Bedingungen ein voller Schwarzabzug mit einer Aufsichtsdichte von 1,70 erhalten. Das Druckexperiment dauert 8 aufeinanderfolgende Stunden. Nach diesem Zeitraum ist weder eine Verstopfung noch eine Verschmutzung der Stirnseitenelektrode zu beobachten. Auch die Steuereigenschaften der Anordnung bleiben unverändert.
- Aus diesem Beispiel stellt sich heraus, daß beim Gebrauch einer Magnetbürste des Typs mit drehendem Kern und drehender Büchse kein Wechselstromfeld benötigt wird. Bei Anwendung einer Magnetbürste des Typs mit festem Kern und drehender Büchse hingegen wird zum guten Funktionieren des Verfahrens ein Wechselstromfeld benötigt (siehe Beispiel 6).
Claims (24)
1. Ein Verfahren für direkten elektrostatischen Druck (DEP)
auf einem Zwischensubstrat oder einem Endsubstrat unter
Anwendung eines Geräts, das eine Gegenelektrode (5), eine
Druckkopfstruktur (6) mit einer Steuerelektrode (6a) in
Kombination mit Öffnungen (7), und ein Tonerzufuhrelement (1)
umfaßt, das eine Wolke (4) von Tonerteilchen bis nahe an den
Öffnungen (7) befördert, wobei ein mehrkomponentiger, zumindest
Tonerteilchen und magnetisch anziehbare Trägerteilchen
enthaltender Entwickler benutzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Tonerzufuhrelement eine Magnetbürstenanordnung ist und
die Tonerwolke mittels eines Schwingungsfelds direkt aus dem
mehrkomponentigen, an der Oberfläche der Magnetbürstenanordnung
befindlichen Entwickler erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Druckkopfstruktur (6) ebenfalls eine Schirmelektrode (6b)
enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Bezugsfläche der Magnetbürsten-
Anordnung in einem Abstand (1) von der Oberfläche der der
Magnetbürstenanordnung gegenüberliegenden Druckkopfstruktur
befindet, wobei 1 der folgenden Formel entspricht:
2/3 L < 1 < 1000 + L
wobei alle Abmessungen in um ausgedrückt sind und L als die
Höchststärke der auf der Magnetbürstenanordnung befindlichen
Entwicklerschicht in Abwesenheit des Schwingungsfelds definiert
und gemäß TEST A gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand (1) der folgenden Formel entspricht.
L < 1 < 500 + L
wobei alle Abmessungen in um ausgedrückt sind und L als die
Höchststärke der auf der Magnetbürstenanordnung befindlichen
Entwicklerschicht in Abwesenheit des Schwingungsfelds definiert
und gemäß TEST A gemessen wird.
5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (5) erhitzt wird.
6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerteilchen eine mittlere
Ladung (q) aufweisen, wobei
1 fC ≤ q ≤ 20 fC.
7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerteilchen eine mittlere
Ladung (q) aufweisen, wobei
1 fC ≤ q ≤ 10 fC.
8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerteilchen eine gemäß TEST B
gemessene Ladungsverteilung mit einem Variabilitätskoeffizienten
ν von weniger als 0,5 aufweisen.
9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tonerteilchen eine gemäß TEST B
gemessene Ladungsverteilung mit einem Variabilitätskoeffizienten
v von weniger als 0,33 aufweisen.
10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsfeld ein elektrisches
Feld ist und mittels Wechselstromquellen angelegt wird.
11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsfeld ein magnetisches
Feld ist und mittels variabler Magnetfelde angelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das variable magnetische Feld durch Verschiebung
unterschiedlicher magnetischer Pole unter die Oberfläche der
Magnetbürstenanordnung induziert wird.
13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetbürstenanordnung des Typs
mit festem Kern und drehender Büchse ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetisch anziehbaren Trägerteilchen sanfte Komposit-
Teilchen mit einer Koerzitivkraft von weniger als 250 Oe sind.
15. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsfeld ein mit einem
zwischen der Büchse der Magnetbürstenanordnung und der
Druckkopfstruktur angelegten Gleichstromfeld kombiniertes
Wechselstromfeld ist.
16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetbürstenanordnung des Typs
mit drehendem Kern und drehender Büchse ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetisch anziehbaren Trägerteilchen harte Kompositteilchen
mit einer Koerzitivkraft von mehr als 250 Oe sind.
18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsfeld magnetisch ist
und aus der Bewegung des drehenden Kerns der
Magnetbürstenanordnung resultiert.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Wechselstromfeld mit einem zwischen der Büchse der
Magnetbürstenanordnung und der Druckkopfstruktur angelegten
Gleichstromfeld kombiniert ist.
20. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß Grauskaladruck durch
Amplitudenmodulation der an der Steuerelektrode angelegten
Spannung V3 gesteuert wird.
21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß Grauskaladruck durch Zeitmodulation
der an der Steuerelektrode (6a) angelegten Spannung V3 gesteuert
wird.
22. Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Grauskaladruck durch eine
Kombination einer Amplitudenmodulation und einer Zeitmodulation
der an der Steuerelektrode (6a) angelegten Spannung V3 gesteuert
wird.
23. Ein Gerät zum Ausführen eines Verfahrens für direkten
elektrostatischen Druck (DEP) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1
bis 22.
24. Ein DEP-Gerät nach Anspruch 23, das mit einem
herkömmlichen elektrografischen Gerät in einem Einzelapparat
kombiniert wird.
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