DE102008003818A1

DE102008003818A1 - Tonerwalze mit einer Isolationsschicht umfassend Kunststoff

Info

Publication number: DE102008003818A1
Application number: DE102008003818A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Ing. Breitenbach; Thomas Dipl.-Ing. Schwarz-Kock
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2009-07-23
Also published as: JP2011509431A; US20100284711A1; US8396403B2; WO2009087208A1

Abstract

Eine Tonerwalze hat einen walzenförmigen Grundkörper (12), auf der eine Isolationsschicht (14) angeordnet ist, die Kunststoff enthält. Vorzugsweise umfasst die Isolationsschicht neben Kunststoff auch Füllstoffe, z. B. Leitruß und Keramikoxide.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tonerwalze zur Verwendung in einer Entwicklerstation für einen Drucker oder Kopierer, mit einem walzenförmigen Grundkörper, der eine elektrisch leitende Oberfläche hat, auf der eine Isolationsschicht angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze.
Tonerwalzen sind wichtige Bauelemente in Entwicklerstationen für Drucker oder Kopierer. Eine typische Tonerwalze wird als Applikatorwalze verwendet, die einem Zwischenträger, z. B. einer Fotoleiterwalze oder einem Fotoleiterband, gegenübersteht. Die Applikatorwalze trägt im Betrieb eine homogene Schicht aus Tonerteilchen. Die Oberfläche des Zwischenträgers trägt ein latentes Ladungsbild entsprechend einem zu druckenden Bild. Infolge elektrischer Feldkräfte werden Tonerteilchen von der Oberfläche des Zwischenträgers angezogen und gegebenenfalls unter Überwindung eines Luftspaltes von der Applikatorwalze auf diese Oberfläche transferiert und ordnen sich entsprechend dem latenten Ladungsbild an.
Der walzenförmige Grundkörper hat eine elektrisch leitende Oberfläche, damit die Tonerteilchen mit Hilfe elektrischer Spannungen an der Oberfläche der Tonerwalze gehalten werden können. Damit es innerhalb der Entwicklerstation und auch zum Zwischenträger hin nicht zu Spannungsüberschlägen kommt, muss die Tonerwalze mit einer Isolationsschicht versehen werden. Diese Isolationsschicht muss gegenüber dem Entwicklergemisch, umfassend Tonerteilchen und ferromagnetische Trägerteilchen, ausreichend abrasionsbeständig sein.
Aus der US 6,327,452 B1 und der US-A-5,473,418 sind Tonerwalzen bekannt, welche als Isolationsschicht eine Keramikschicht verwenden. Derartige Keramikschichten weisen Poren auf, die Feuchtigkeit aufnehmen können, was die Fähigkeit der Tonerwalze zur Aufnahme von Tonerteilchen und insbesondere zur Abgabe von Tonerteilchen vermindert.
Es ist Aufgab der Erfindung, eine Tonerwalze und ein Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze anzugeben, deren Oberfläche geeignet ist, eine Tonerschicht zu tragen und die hochspannungsfest sowie abrasionsbeständig ist.
Diese Aufgabe wird für eine Tonerwalze durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung enthält die Isolationsschicht Kunststoff und hat eine Schichtdicke im Bereich zwischen 150 μm und 1000 μm. Die Isolationsschicht hat die Form eines Zylindermantels und berührt die Oberfläche des Grundkörpers.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Isolationsschicht neben Kunststoff auch Füllstoffe, die so beschaffen sind, dass sie einen definierten elektrischen Widerstand, eine definierte Hochspannungsfestigkeit und eine definierte Abrasionsfähigkeit bereitstellen. Als Kunststoffe kommen insbesondere Polyurethan und PTFE (Teflon) in Betracht. Zur Einstellung des elektrischen Widerstandes werden elektrisch leitende Zusatzstoffe verwendet, vorzugsweise Leitruß. Als Füllstoff, der dem Kunststoff zugemischt wird, kommen insbesondere SiO2, Kohle, Keramikoxide, Aluminiumoxid, Titanoxid und/oder Chromoxid und Mischungen davon in Betracht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
1 einen Quer- und Längsschnitt durch eine Tonerwalze,
2 den Einsatz der Tonerwalze in einer Entwicklerstation, und
3 Potentialverhältnisse in der Entwicklerstation.
1 zeigt im oberen Bildteil einen Querschnitt durch eine Tonerwalze 10 und im unteren Bildteil einen Längsschnitt hierzu. Die Tonerwalze 10 umfasst einen walzenförmigen Grundkörper 12 und eine Isolationsschicht 14. Die Isolationsschicht 14 hat eine Schichtdicke im Bereich zwischen 150 μm und 1000 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 400 μm und 600 μm. Der Grundkörper 12 kann wie im vorliegenden Beispiel als Vollwalze mit Lagerzapfen 16 ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, als Grundkörper 12 eine Hohlwalze zu verwenden. Vorzugsweise ist der walzenförmige Grundkörper 12 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einschl. Aluminium-Knetlegierung, Aluminium-Gußlegierung und Aluminium-Druckgußlegierung, oder aus Rein-Titan oder einer Titan-Legierung. Alternativ kann der Grundkörper auch aus Kunststoff gefertigt sein, der mit einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen ist. Die elektrische Oberfläche des Grundkörpers 12 ist wichtig, denn an diese wird eine Gleichspannung angelegt, die Tonerteilchen auf der Außenfläche der Isolationsschicht 14 infolge elektrischer Feldkräfte anzieht. Der spezifische Widerstand des elektrisch leitenden Materials des Grundkörpers 12 bzw. dessen leitende Oberfläche liegt im Bereich kleiner 10,0 Ω·mm²/m.
2 zeigt den Einsatz der Tonerwalze 10 in einer Entwicklerstation 20. Ein Entwicklergemisch 22, umfassend Tonerteilchen und ferromagnetische Trägerteilchen wird mit Hilfe eines Gemischbaggers 24 zu einer Einfärbewalze 26 transportiert. Die Einfärbewalze 26 enthält als Magnetstator magnetische Elemente 28, welche die magnetischen Trägerteilchen anziehen. Bei Drehung der Hülle der Einfärbewalze 26 werden die Trägerteilchen zusammen mit den an ihnen anhaftenden Tonerteilchen weiter nach oben transportiert. Im Kontaktbereich 30 von Einfärbewalze 26 und Tonerwalze 10 trennen sich Tonerteilchen und Trägerteilchen. Die Tonerteilchen werden infolge elektrischer Feldkräfte auf der Isolationsschicht 14 der Tonerwalze 10 gehalten und nach oben weiter gefördert, während die ferromagnetischen Trägerteilchen in Richtung des Pfeils P1 zurück zum Entwicklergemisch 22 oder zu einer Reinigungswalze 34 gefördert werden.
Die auf der Oberfläche der Tonerwalze anhaftenden Tonerteilchen werden an die fotoempfindliche Schicht eines Zwischenträgers 32, z. B. ein bandförmiger Fotoleiter, herangeführt und springen infolge elektrischer Feldkräfte, die sich aufgrund eines latenten Ladungsbildes zwischen der fo toempfindlichen Schicht des Zwischenträgers 32 und der Oberfläche der Tonerwalze 10 ausbilden, auf diese fotoempfindliche Schicht über und färben dieses Bild ein. Wegen des Sprungverhaltens der Tonerteilchen im Kontaktbereich von Tonerwalze 10 und Zwischenträger 32 wird die so eingesetzte Tonerwalze 10 häufig auch Jump-Walze genannt. Die nicht übertragenen Tonerteilchen werden von der Reinigungswalze 34, die ebenfalls einen Magnetstator mit Magnetelementen 35 enthält, unter Verwendung von ferromagnetischen Trägerteilchen abgereinigt. Das Gemisch aus abgereinigten Tonerteilchen und Trägerteilchen wird gemäß dem Pfeil P2 wieder dem Entwicklergemisch 22 zugeführt.
3 zeigt beispielhaft elektrische Potentialverhältnisse in der Entwicklerstation 20. Die Einfärbewalze 26 wird mit einem Gleichspannungspotential beaufschlagt, während die Tonerwalze 10 mit einer Wechselspannung, der eine Gleichspannung überlagert sein kann, beaufschlagt wird. Die Reinigungswalze 34 wiederum wird mit einem Potential beaufschlagt, welches dem Potential der Einfärbewalze 26 entgegengesetzt ist. Die angelegten Potentiale sind so gewählt, dass die Tonerteilchen einerseits vom Entwicklergemisch 22 nach oben zum Zwischenträger 32 gefördert werden und sich andererseits von der Tonerwalze 10 wieder loslösen können, um auf die fotoempfindliche Schicht des Zwischenträgers 32 überzuspringen.
In den Kontaktbereichen zwischen Einfärbewalze 26 und Tonerwalze 10 sowie Tonerwalze 10 und Reinigungswalze 34 kommt es aufgrund der relativ engen Spalte, typischerweise 1,0 mm, zu einer erhöhten mechanischen Beanspruchung der Walzenoberflächen aufgrund der harten ferromagnetischen Trägerteilchen, die durch diese Spalte hindurchtranspor tiert werden. Demgemäß muss die Isolationsschicht 14 auf der Tonerwalze 10 eine hohe Abrasionsbeständigkeit haben, damit der Verschleiß gering ist und eine hohe Standzeit für die Tonerwalze 10 erreicht wird. Außerdem muss die Isolationsschicht 14 so beschaffen sein, dass sie aufgrund der angelegten Hochspannungen es zu keinem Kurzschluss zwischen den einzelnen Walzen kommt. Daher ist bei der Tonerwalze 10 eine isolierende Beschichtung erforderlich, während bei der Einfärbewalze 26 und der Reinigungswalze 34 elektrisch leitende Beschichtungen vorgesehen sein können. Bei der positiven Halbwelle der an die Tonerwalze 10 angelegten Wechselspannung beträgt die Potentialdifferenz zur Reinigungswalze 34 ca. 2 kVss und bei negativer Halbwelle sogar bis zu 3 kVss. Ein qualitativ hochwertiger Betrieb ist deshalb nur dann möglich, wenn eine ausreichende Hochspannungsfestigkeit durch die Isolationsschicht 14 der Tonerwalze 10 gegeben ist. Die Anforderungen nach einer hohen Abrasionsbeständigkeit einerseits und einer hohen Hochspannungsfestigkeit andererseits machen es schwierig, geeignete Materialien für die Isolationsschicht 14 zu finden. Die Dicke der Isolationsschicht 14 liegt typischerweise in einem Bereich von 150 μm und 1000 μm. Bei einer zu dünnen Schicht kann es zu Hochspannungsüberschlägen kommen. Außerdem kann eine dünne Schicht Probleme im Hinblick auf die Abrasionsbeständigkeit bereiten. Bei einer zu dicken Isolationsschicht ist die elektrische Isolationswirkung zu groß.
Nachfolgend werden Beispiele für die Isolationsschicht 14 angegeben.
Beispiel 1:
Die Isolationsschicht besteht neben Kunststoff auch aus Füllstoffen. Dem Füllstoff sind elektrisch leitende Zusatz stoffe, insbesondere Leitruß, zugefügt. Als Füllstoff kommt SiO2, Kohle, Aluminiumoxid, Titanoxid und/oder Chromoxid in Betracht. Der Anteil an Füllstoff in der Isolationsschicht beträgt zwischen 0 und 15 Gew.%. Der Anteil an elektrisch leitenden Zusatzstoffen in der Isolationsschicht liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5 Gew.% vorzugsweise 0,2 bis 0,28 Gew.%
Beispiel 2:
Wie Beispiel 1, wobei als Kunststoff PTFE (Teflon) vorgesehen ist.
Beispiel 3:
Wie Beispiel 1, wobei als Kunststoff PVDF (z. B. Kynar, PA (Polyamid), PE, PVC, Polyolefin oder Polyurethan (PU) verwendet wird.
Beispiel 4:
Die Isolationsschicht besteht aus Polyurethan (PU) in Reinform, d. h. ohne Füllstoffe.
Die mit den Beispielen erzielbaren Isolationsschichten haben folgende Eigenschaften:

a) sie sind abriebfest und abrasionsbeständig gegenüber ferromagnetischen Trägerteilchen und Eisenpulver;
b) sie sind elektrisch isolierend;
c) sie sind hochspannungsfest bis mindestens 2 kVss;
d) der spezifische Durchgangswiderstand der Isolationsschicht beträgt mindestens 10⁷ Ωcm;
e) die Oberflächeneigenschaften werden durch Umwelteinflüsse, wie z. B. Luftfeuchtigkeit, Temperatur, kaum beeinflusst;
f) die Oberflächenrauhigkeit beträgt als gemittelte Rautiefe Rz < 2 μm;
g) die zylindrische Unrundheit der Oberfläche beträgt < 7 μm;
h) die Oberfläche hat vorzugsweise Antihafteigenschaften.

Die vorgeschlagenen Isolationsschichten weisen eine ausreichende Hochspannungsfestigkeit auf. Dadurch entstehen keine Abplatz-Beschädigungen der äußeren Oberfläche, wodurch sich längere Laufzeiten für die Tonerwalze und damit für die Entwicklerstation ergeben. Die genannten Isolationsschichten sind ausreichend abrasionsbeständig. Durch die Verwendung von Kunststoff in der Isolationsschicht wird die Oberfläche gut versiegelt, so dass diese keine Feuchtigkeit aufnimmt, was bei mit Poren versehenen Oberflächen geschehen kann. Bei bestimmten Kunststoffen kann eine Nachbearbeitung, z. B. Schleifen, entfallen.
Nachfolgend werden verschiedene Herstellverfahren zum Herstellen einer Tonerwalze beschrieben:
Herstellverfahren 1:
Kunststoff in Partikelform oder Pulverform gemäß den weiter oben genannten Beispielen wird mit den Füllstoffen in Partikelform oder Pulverform zu einer Dispersion oder Suspension gemischt. Der Grundkörper wird in die Dispersion getaucht, so dass er mit einer dünnen Schicht der Dispersion beschichtet wird. Nach dem Trocknen der Schicht wird diese spanabhebend bearbeitet, beispielsweise durch Schleifen, um die erforderlichen geometrischen Abmessungen und die erforderliche Rauheit und Oberflächengestalt zu erhalten.
Herstellverfahren 2:
Aus einer Mischung aus Kunststoff und Füllstoffen wird eine Folie hergestellt. Diese Folie wird an zwei Enden miteinander verschweißt und auf den Grundkörper aufgebracht. Danach erfolgt eine Nachbearbeitung, um die geometrischen Abmessungen zu erzielen.
Herstellverfahren 3:
Aus dem Gemisch aus Kunststoff und den Füllstoffen wird ein Schrumpfschlauch hergestellt, der über den Grundkörper gezogen wird. Anschließend kann eine Nachbearbeitung erfolgen.
Herstellverfahren 4:
Ein Gemisch aus Kunststoff und Füllstoffen wird verwendet, um den Grundkörper in einem Pulverbeschichtungsverfahren (z. B. durch Wirbelsintern, thermisches Kunststoffpulververfahren, thermisches Spritzverfahren, elektrostatisches Beschichten) zu beschichten. Anschließend erfolgt eine Nachbearbeitung.
Bei den vorgenannten Herstellverfahren kann anstelle des Gemischs aus Kunststoff und Füllstoffen auch Polyurethan in Reinform verwendet werden.

10: Tonerwalze
12: Grundkörper
14: Isolationsschicht
16: Lagerzapfen
20: Entwicklerstation
22: Entwicklergemisch
24: Gemischbagger
26: Einfärbewalze
28: magnetische Elemente
30: Kontaktbereich
P1, P2: Richtungspfeile
32: Zwischenträger
34: Reinigungswalze
35: Magnetelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6327452 B1 [0004]
- US 5473418 A [0004]

Claims

Tonerwalze zur Verwendung in einer Entwicklerstation für einen Drucker oder Kopierer, mit einem walzenförmigen Grundkörper (12), der eine elektrisch leitende Oberfläche hat, auf der eine Isolationsschicht (14) angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht (14) Kunststoff enthält und eine Schichtdicke im Bereich zwischen 150 μm und 1000 μm hat.
Tonerwalze nach Anspruch 1, bei der die Isolationsschicht (14) neben Kunststoff auch Füllstoffe umfasst.
Tonerwalze nach Anspruch 2, bei der der Füllstoff elektrisch leitende Zusatzstoffe, insbesondere Leitruß, umfasst.
Tonerwalze nach Anspruch 3, bei der der Füllstoff SiO2, Kohle, Keramikoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid und/oder Chromoxid umfasst.
Tonerwalze nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der der Anteil an Füllstoff in der Isolationsschicht (14) zwischen 0 und 15 Gew.% beträgt.
Tonerwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anteil an elektrisch leitenden Zusatzstoffen in der Isolationsschicht (14) im Bereich von 0,1 bis 0,5 Gew.%, vorzugsweise 0,2 bis 0,28 Gew.% beträgt.
Tonerwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Kunststoff für die Isolationsschicht (14) PTFE vorgesehen ist.
Tonerwalze nach Anspruch 1, bei der die Isolationsschicht aus Polyurethan in Reinform besteht.
Tonerwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, bei der die Isolationsschicht (14) in Form eines Schrumpfschlauches auf den Grundkörper aufgebracht ist.
Tonerwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Isolationsschicht (14) durch eine an Enden verschweißte Folie gebildet ist.
Tonerwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der walzenförmige Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einschließlich Aluminium-Knetlegierung, Aluminium-Gußlegierung und Aluminium-Druckgußlegierung, oder aus Rein-Titan oder einer Titanlegierung gebildet ist.
Tonerwalze nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, bei der der Grundkörper (12) Kunststoff umfasst, der mit einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze zur Verwendung in einer Entwicklerstation für einen Drucker oder Kopierer, bei dem ein walzenförmiger Grundkörper (12), der eine elektrisch leitende Oberfläche hat, mit einer Isolationsschicht (14) versehen wird, wobei die Isolationsschicht (14) Kunststoff enthält und eine Schichtdicke im Bereich zwischen 150 μm und 1000 μm hat.
Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze nach Anspruch 13, bei dem die Isolationsschicht (14) in Form eines Schrumpfschlauches auf den Grundkörper aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen einer Tonerwalze nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die Isolationsschicht (14) durch eine an Enden verschweißte Folie gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Isolationsschicht (14) in einem Tauchprozess mit anschließender Trocknung gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Isolationsschicht (14) durch ein Pulverbeschichtungsverfahren oder ein Spritzverfahren erzeugt wird.