DE69220313T2

DE69220313T2 - Kontaktaufladegerät und Verfahren

Info

Publication number: DE69220313T2
Application number: DE69220313T
Authority: DE
Inventors: Hideharu Daifuku; Hiroshi Harashima; Hiroshi Kaneda; Takahiro Kawagoe; Yoshitomo Masuda; Kinya Suzuki; Yoshio Takizawa
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-24
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2012-09-25
Also published as: EP0534437A3; EP0534437B1; US5602712A; EP0534437A2; DE69220313D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Kontaktaufladeverfahren und eine Kontaktaufladevorrichtung, die für die Verwendung in elektrofotografischen Geräten wie Kopierern und Druckern geeignet ist. Spezieller betrifft sie ein Kontaktaufladeverfahren und eine Kontaktaufladevorrichtung, die durch die Anwendung einer relativ niedrigen Spannung ein ausreichendes Ladungspotential bereitstellen können und dabei die Erzeugung von Ozon verhindern, wodurch ein geringer Energieverbrauch und eine geringere Größe der Vorrichtung erreicht werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Das in Kopierern angewandte elektrofotografische Verfahren umfaßt zunächst das gleichmäßige elektrische Laden der Oberfläche eines Fotoleiters, wobei von einem optischen System ein Bild an den Fotoleiter projiziert wird, um ein latentes Bild auf dem Fotoleiter zu bilden, wobei gleichzeitig Ladungen aus dem Teil des Fotoleiters entfernt werden können, der dem Licht ausgesetzt ist, gefolgt von der Anwendung von Toner und der Übertragung des Tonerbildes auf Papier. Um die Oberfläche des Fotoleiters gleichmäßig auf ein gewünschtes Potential zu laden, wird in den meisten herkömmlichen elektrofotografischen Geräten, wie Kopierern, eine Koronaentladungsvorrichtung mit einer Drahtelektrode und einer Schirmelektrode verwandt. Das Koronaaufladeverfahren ist jedoch mit einigen Problemen verbunden, einschließlich (1) der Erzeugung von Ozon oder dergleichen als Ergebnis der Koronaentladung, (2) eine Hochspannung von 4 bis 8 kV, die zur Bereitstellung eines hohen Potentials von 500 bis 700 V auf den Fotoleiter angewandt wird, (3) eine geringe Aufladeeffizienz insofern, als nur wenige Prozent des Koronastroms beim Aufladen verwendet werden sowie (4) Verunreinigung der Drahtelektrode mit Staub und Abriebteuchen.
Zur Beseitigung dieser Probleme wurde ein Kontaktaufladeverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Aufladeelement mit einem aufzuladenden Gegenstand in Kontakt gebracht wird, um den Gegenstand ohne Verwendung einer Koronaentladungsvorrichtung elektrisch aufzuladen. Ein solches Kontaktaufladegerät wird zum Beispiel in der EP-A-0 272 072 beschrieben. Das Verfahren nach dem Stand der Technik fallt insofern unter den Begriff des Kontaktaufladens, als daß das elektrische Aufladen so vorgenommen wird, daß das Aufladeelement und der aufzuladende Gegenstand in Kontakt gehalten wird, aber genau genommen auf dem Mechanismus beruht, daß der aufzuladende Gegenstand dadurch aufgeladen wird, daß durch einen schmalen Spalt zwischen dem Aufladeelement und dem aufzuladenden Gegenstand eine Luftentladung vollzogen wird. Aus diesem Grund konnte das Kontaktaufladeverfahren des Standes der Technik im Vergleich zu der Verwendung einer Koronaentladungsvorrichtung die Erzeugung von Ozon verringern, die Erzeugung von Ozon aber nicht vollständig unterdrucken. Das sich im wesentlichen auf Luftentladung stützende Aufladeverfahren erfordert unerwünschterweise eine extrem hohe Ladeanfangsspannung von mehreren hundert Volt gemaß dem Paschenschen Gesetz bezuglich Luftentladung über einen schmalen Spalt. Wir haben festgestellt, daß die Ladeanfangsspannung oder der Ladungsgrenzwert häufig bei 600 bis 750 V lag, und zur Bereitstellung eines Aufladepotentials von beispielsweise -600 V sollte eine Hochspannung von -1300 bis -1500 V angewandt werden.
Das herkömmliche Kontaktaufladeverfahren wendet manchmal eine Gleichspannung mit einer überlappenden Wechselspannung an, damit das Ladungspotential gleichmäßig bleibt. Dadurch entstehen unerwünschterweise laute Hochfrequenzgeräusche aufgrund von Luftentladung.
Bekannte Aufladeelemente, die im herkömmlichen Kontaktaufladeverfahren verwendet werden, umfassen Rollen aus leitfahigem Kautschuk, in dem Kohlenstoff- oder andere leitfähige Teilchen verteilt sind, und diese Rollen sind mit Nylon oder dergleichen überzogen. Diese Aufladeelemente sind mit einer notwendigen Leitfahigkeit versehen, um einen aufzuladenden Gegenstand kontinuierlich positiv oder negativ zu laden. Dennoch wird im Fall des Kontaktaufladens, selbst wenn das Aufladeelement eine festgelegte bzw. vorbestimmte Leitfähigkeit hat, nicht immer eine gleichmäßige Aufladung erreicht. Bei Aufladeelementen mit derselben Leitfähigkeit treten bei einigen Elementen zum Beispiel Bilder mit schwarzen Körnern und Schleier aufgrund von ungleicher Aufladung auf bei anderen Elementen nicht. Dies ist ein mit dem Kontaktverfahren verbundenes Problem, das beim Koronaentladungssystem nicht auftritt. Daruber hinaus umfassen die eingangs vorgeschlagenen Aufladeelemente aus Naturkautschuk, Butylkautschuk, α-Epichlorhydrin, Siliconkautschuk oder dergleichen viele unbekannte Faktoren in ihrem Verhalten und weisen eine unzureichende Aufladeleistung und Stabilität auf

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktaufladeverfahren und eine Kontaktaufladevorrichtungbereitzustellen, die die Erzeugung von Ozon vollständig verhindern können. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kontaktaufladeverfahren und eine Kontaktaufladevorrichtung bereitzustellen, die die im Zusammenhang mit einer Kombination aus einer Gleichspannung und einer überlappenden Wechselspannung stehende Erzeugung von Hochfrequenzgeräuschen vollständig eliminieren. Es ist ebenfalls Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktaufladeverfahren und eine Kontaktaufladevorrichtung bereitzustellen, die durch die Anwendung einer relativ niedrigen Spannung und bei akzeptabler Aufladeeffizienz ein ausreichend hohes Ladungspotential bereitstellen können.
Im Zusammenhang mit einem Verfahren, bei dem ein Element elektrisch aufgeladen wird, indem ein Kontaktaufladeelement in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung dazwischen angelegt wird, haben wir festgestellt, daß durch Optimierung der Kapazität des Kontaktaufladeelements, der Kapazität des aufzuladenden Gegenstands und der angewandten Spannung das Aufladen in einem Direktauflademodus durchgeführt werden kann, z. B. durch direkte Ladungübertragung und reibungselektrische bzw. triboelektrische Aufladung ohne Luftentladung. Dann entsteht kein Ozon, und durch die Anwendung relativ niedriger Spannung ist ein ausreichendes Ladungspotential verfügbar.
Um die Auswirkung auf einen menschlichen Körper so gering wie moglich zu halten, sollen elektrofotografische Gerate, wie Kopierer, so wenig Ozon wie möglich erzeugen. Da bei dem Aufladeverfahren nach dem Stand der Technik, bei dem Luftentladung angewandt wird, das entweder nach dem Koronaentladungstyp oder dem Kontaktelektrifizierungstyp fünktioniert, stets aufgrund von Luftentladung Ozon als Nebenprodukt erzeugt wird, ist es unmöglich, die Ozonerzeugung völlig zu vermeiden. Durch Untersuchungen des Kontaktelektrifizierungsverfahrens ohne Koronaentladung haben wir nach optimalen Bedingungen gesucht, unter denen elektrisches Aufladen mit einer relativ niedrigen angewandten Spannung ohne Luftentladung durchgeführt wird.
Die Fig. 1 ist eine schematische Abbildung einer Kontaktaufladeanordnung, bei der ein Kontaktaufladeelement in Form einer Rolle (1) in Angrenzung mit einem aufladenden Gegenstand in Form einer Fotoleiter-Trommel (2), die aus einem zylindrischen Metallträger (2b) und einer abdeckenden Fotoleitschicht (2a) besteht, gebracht wird. Eine Stromquelle (3) legt eine Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement (1) und dem Fotoleiter (2) an, wodurch der Fotoleiter (2) aufgeladen wird. Im Hinblick auf die Spannung, die über den winzigen Spalt zwischen dem Kontaktaufladeelement (1) und dem Fotoleiter (2) angelegt wird, wird ein elektrisches Modell als die schematische Ansicht von Fig. 2 gezeigt. Das Kontaktaufladeelement (1) wird im Abstand d&sub0; (µm) zum Fotoleiter (2) angeordnet. Wenn eine Spannung VT extern ange legt wird, entsteht eine Spannung V&sub0; über den Spalt d&sub0;, die durch die folgende Formel (2) dargestellt wird:
In der Formel ist C&sub1; die Kapazität (oder elektrostatische Kapazität) des Kontaktaufladeelements (1), F/µm²,
C&sub2; die Kapazität des Fotoleiters (2), F/µm²,
&epsi;&sub0; die Vakuum-Dielektrizitätskonstante von gleich 8,854 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm,
d&sub0; der Spalt zwischen dem Kontaktaufladeelement (1) und dem Fotoleiter (2) (in µm),
V&sub0; die Spannung über den Spalt d&sub0;, V, und
VT die angelegte Spannung, V.
Es ist zu beachten, daß C&sub1;, C&sub2;, &epsi;&sub0;, d&sub0;, V&sub0; und VT in der gesamten Beschreibung die gleiche Bedeutung wie oben haben.
Das Entladungsphänomen über den Spalt d&sub0; ist vom Paschensche Gesetz abzuleiten, und die Entladungs-Durchschlagspannung VP (V) wird durch die Gleichung (3) abgeschätzt.
VP = 312 + 6,2 d&sub0; ... (3)
Die Gleichung (3) ist zusammen mit der Paschenschen Kurve im Graphen der Fig. 3 gezeichnet. In der Fig. 3 befindet sich der Spalt d&sub0; auf der Abszisse und die Spannung VP oder V&sub0; auf der Ordinate. Die Kurve A ist die Paschensche Kurve. Die Kurven B bis E sind Kurven, die verdeutlichen, wie sich V&sub0; mit einem Parameter (&epsi;&sub0;/C&sub1;i + &epsi;&sub0;/C&sub2;) für VT = 1000 V verändert, noch spezieller sind die Kurven B, C, D und E = V&sub0; in Verbindung mit (&epsi;&sub0;/C&sub1; + &epsi;&sub0;/C&sub2;) = 1 bzw. 10, 20 oder 50.
In der Fig. 3 kommt es beim Schnittpunkt zwischen der Paschenschen Kurve A und einer anderen Kurve zur Entladung. Dann hat die folgende quadratische Gleichung (4), die sich auf d&sub0; bezieht, in der V&sub0; = VP ist, eine echte Lösung.
Auf der anderen Seite lautet die Bedingung, unter der es zu keiner Entladung kommt, so, daß (a) die quadratische Gleichung (4) keine echte Lösung hat, das heißt, daß die folgende Auflösungsgleichung negativ ist, oder daß (b) d&sub0; gleich 0 oder darunter ist, selbst wenn die quadratische Gleichung (4) eine echte Lösung hat. Die Bedingung (a) oder (b) wird mathematisch wie folgt ausgedruckt.
(a) Die quadratische Gleichung (4) hat keine echte Lösung.
Dies wird modifiziert zu:
(b) Die quadratische Gleichung (4) hat eine echte Lösung, und d&sub0; ist gleich 0 oder darunter.
und
Das heißt,
Demgemäß sollte, um ein Entladen zu vermeiden, das Kontaktaufladen unter der Bedingung erfolgen, die der Formel (6) oder (9) genügt. Als die Bedingung, unter der es beim Kontaktaufladen zu keiner Luftentladung kommt, haben wir durch Kombination der Formeln (6) und (9) miteinander die Formel (1) abgeleitet.
Es ist davon auszugehen, daß VT in absoluter Form sowohl das Anlegen positiver als auch negativer Spannung darstellt.
Mittels eines Ladungstests unter den der Formel (1) genügenden Bedingungen haben wir festgestellt, daß mit relativ niedrig angelegter Spannung akzeptable Ladungspotentiale ohne jegliche Erzeugung von Ozon bereitgestellt werden, wie in den Beispielen, die später erläutert werden, gezeigt wird. Die vorliegende Erfindung basiert auf dieser Feststellung.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt ein Kontaktaufladeverfahren bereit, das die Schritte umfaßt, bei denen ein Kontaktaufladeelement in Angrenzung mit einem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement und dem Gegenstand angelegt wird, um den Gegenstand elektrisch aufzuladen. Die Kapazität des Kontaktaufladeelements, die Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes und die angelegte Spannung entsprechen dem in der Formel (1) dargestellten Verhältnis.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls im ersten Aspekt zum elektrischen Aufladen eines Gegenstandes eine Kontaktaufladevorrichtung bereit, die ein Kontaktaufladeelement umfaßt, das in Angrenzung mit einer Oberfläche des aufzuladenden Gegenstandes angeordnet ist, sowie Vorrichtungen zum Anlegen von Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement und dem Gegenstand zum elektrischen Aufladen des Gegenstandes. Die Kapazität des Kontaktaufladeelements, die Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes und die angelegte Spannung entsprechen dem Verhältnis der Formel (1).
Ferner haben wir festgestellt, daß beim Aufladen eines Gegenstandes, indem man ein Aufladeelement in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand bringt und Spannung dazwischen anlegt, der Gegenstand auf zufriedenstellend beständige Weise negativ geladen werden kann, indem ein Aufladeelement verwendet wird, das eine geringere Austrittsarbeit als der Gegenstand aufweist. Der Gegenstand kann auf zufriedenstellend beständige Weise positiv geladen werden, indem das Aufladeelement verwendet wird, das eine größere Austrittsarbeit als der Gegenstand aufweist.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Aufladeelement zur Verwendung beim negativen oder positiven Aufladen eines Gegenstandes bereit, indem das Aufladeelement in Angrenzung mit einer Oberfläche des aufzuladenden Gegenstandes gebracht und Spannung zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand angelegt wird. Wenn der Gegenstand negativ geladen werden soll, weist zumindest ein Teil des Aufladeelements, das an den aufzuladenden Gegenstand angrenzt, eine geringere Austrittsarbeit als die Oberfläche des Gegenstandes auf Wenn es erwünscht ist, den Gegenstand positiv aufzuladen, weist zumindest eine Teil des Aufladeelementes, welches an den aufzuladenden Gegenstand angrenzt, eine größere Austrittsarbeit als die Oberfläche des Gegenstandes auf
Ebenfalls vorgesehen ist eine Aufladevorrichtung zum elektrischen Aufladen eines Gegenstandes, die ein Aufladeelement, das an eine Oberfläche des aufzuladenden Gegenstandes angrenzt, sowie Einrichtungen zum Anlegen von Spannung zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand umfaßt, um den Gegenstand zu laden. Das hierin verwendete Aufladeelement ist so beschaffen wie vorangehend definiert. Das heißt, daß das Aufladeelement eine geringere oder größere Austrittsarbeit als die Oberfläche des Gegenstandes aufweist, je nachdem, ob die auf den Gegenstand übertragene Ladung negativ oder positiv ist.
Der hierin verwendete Begriff "Austrittsarbeit" bezieht sich auf das Minimum an Energie, das dazu benötigt wird, um ein Elektron von einer Leiter- oder Halbleiter-Kristalloberfläche an ein unmittelbar außerhalb der Oberfläche befindliches Vakuum zu transportieren, was aus dem Energiegrenzwert lichtelektrischer Emission und Kontaktpotential bestimmt werden kann.
Obwohl der Grund dafür, warum die Aufladeleistung durch Einstellen der Austrittsarbeit eines Aufladeelements verbessert wird, nicht hinreichend geklärt ist, gehen wir von dem folgenden Mechanismus aus. In einem Kontaktaufladeverfahren, bei dem ein an ein Aufladeelement angrenzender Gegenstand aufgeladen wird, wird die Aufladefähigkeit weitgehend vom Grad der Ladungsübertragung an der Kontaktfläche zwischen dem Aufladeelement und dem aufzuladenden Gegenstand bestimmt. Wenn der Gegenstand zum Beispiel negativ geladen werden soll, würde eine Verbindungsstelle, durch die eine einfache Elektronenübertragung vom Aufladeelement an den Gegenstand möglich wäre, die Aufladeleistung verbessern. Da die Austrittsarbeit das Minimum an Energie ist, das dazu benötigt wird, um ein Elektron von einer Kristalloberfläche an ein Vakuum, wie oben festgelegt, zu befördern, kann eine solche Verbindungsstelle für den negativ aufzuladenden Gegenstand eingerichtet werden, wenn das Aufladeelement eine geringere Austrittsarbeit als der Gegenstand aufweist. Dann ist eine zufriedenstellende Aufladeleistung zu erwarten. Im umgekehrten Fall, wenn der Gegenstand positiv geladen werden soll, wäre eine umgekehrte Verbindung zu bevorzugen. Wenn das Aufladeelement eine größere Austrittsarbeit als der Gegenstand aufweist, ist eine zufriedenstellende Aufladeleistung zu erwarten.
Obwohl beim Kontaktaufladeverfahren des Standes der Technik ein Gegenstand geladen wird, während ein Aufladeelement in Kontakt mit dem aufzuladenden Gegenstand gehalten wird, handelt es sich hier außerdem genaugenommen um einen Luftentladungsmechanismus, bei dem das Aufladen durch einen engen Spalt zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand durchgeführt wird. Das heißt, daß der wesentliche Auflademechanismus, der dem Kontaktaufladeverfahren des Standes der Technik unterliegt, sich nicht vom herkömmlichen Koronaentladungsverfahren unterscheidet. Aus diesem Grund wird nicht immer ein zufriedenstellendes Ladungspotential erreicht, und die Erzeugung von Ozon wird nicht völlig unterbunden. Wir haben festgestellt, daß beim Aufladeverfahren eines Gegenstandes, indem ein Aufladeelement in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung dazwischen angelegt wird, ein zufriedenstellendes Ladungspotential durch das Anlegen einer relativ niedrigen Spannung erreicht und die Erzeugung von Ozon minimiert wird, wenn elektrische Ladungen direkt in den Gegenstand ohne Luftentladung injiziert werden.
Auf der Suche nach einem Aufladeelement, das in der Lage ist, durch den direkten Ladeeinspritzmodus unter gleichzeitiger Minimierung von Luftentladung zu laden, führten wir unter Verwendung verschiedener Aufladeelemente einen Ladungstest durch. Wenn die Spannung, bei der ein Gegenstand mit dem Aufladen beginnt, wenn die zwischen dem Gegenstand und dem in Angrenzung dazu angebrachten Aufladeelement angelegte Spannung allmählich von einem niedrigen Niveau erhöht wird, das heißt, wenn die Ladeanfangsspannung (hier nachfolgend als "Ladungsgrenzwert" bezeichnet) 500 V oder weniger beträgt, wird ein wunschenswertes Ladungspotential mit einer signifikant niedrig angelegten Spannung, im Vergleich zu Situationen mit einem Ladungsgrenzwert von über 500 V, erreicht. Außerdem ist die Erzeugung von Ozon im wesentlichen gleich null, was darauf schließen läßt, daß das Aufladen in einem direkten Ladeeinspritzmodus durchgeführt wird, bei dem es im wesentlichen zu keiner Luftentladung kommt.
Aufgrund dieser Feststellungen stellt die vorliege de Erfindung in einem dritten Aspekt ein Ladeelement zur Verwendung beim elektrischen ufladen eines Gegenstandes bereit, indem das Aufladeelement an den aufzuladenden Gegens and angrenzt und Spannung zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand angelegt wird, wobei das Aufladeelement es ermöglicht, daß elektrische Ladungen direkt in den Gegenstan ohne Luftentladung injiziert werden. Vorzugsweise verfügt das Aufladeelement über einen Ladungsgrenzwert (ab dem das Aufladen möglich ist) von bis zu 500 V, wie in der angelegten Spannung ausgedrückt.
Es ist in der Tat so, daß das Aufladen durch das Aufladeelement mit einem Ladungsgrenzwert von bis zu 500 V, wie in der angelegten Spannung ausgedrückt, nicht mittels Luftentladung, sondern im direkten Ladungseinspritzungsmodus geschieht, das heißt durch Injektion elektrischer Ladungen direkt in den Gegenstand. Gemaß dem Paschenschen Gesetz bezüglich Luftentladung liegt der Grenzwert, oberhalb welchem das Aufladen mittels Luftentladung stattfindet, im Bereich von 600 bis 750 V, das heißt, daß unterhalb dieses Grenzwertes kein Aufladen mittels Luftentladung stattfindet. Dann stellt ein Ladungsgrenzwert von 500 V oder darunter sicher, daß das Aufladen im Direkt-Aufladeinjektionsmodus, aber nicht im Luftentladungsmodus, stattfindet.
Bei der Durchführung weiterer Untersuchungen an einem Aufladeelement zur Verwendung beim elektrischen Aufladen eines Gegenstandes, indem das Aufladeelement in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung dazwischen angelegt wird, haben wir festgestellt, daß die Aufladeleistung dadurch verbessert und stabilisiert wird, daß ein leitfahiges Polymer, wie Polyanilin und Polypyrrol, an der Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand verteilt wird, so daß das leitfahige Polymer am Aufladungsvorgang teilnehmen kann.
Deshalb stellt die vorliegende Erfindung in einem vierten Aspekt ein Aufladeelement zur Verwendung beim elektrischen Aufladen eines Gegenstandes bereit, indem das Aufladeelement, in welchem ein leitfahiges Polymer an der Angrenzung mit dem Gegenstand verteilt ist, in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand angelegt wird.
Obwohl der Grund, weshalb die Aufladeleistung durch Verteilen eines leitfahigen Polymers an der Angrenzung des Aufladeelements mit dem Gegenstand verbessert wird, nur unzureichend bekannt ist, gehen wir von folgender Annahme aus. Wenn ein aufzuladender Gegenstand, typischerweise ein Fotoleiter, mit einem Aufladeelement aufgeladen worden ist, werden der Gegenstand und das Element voneinander getrennt, währenddessen sie dazu neigen, ein Differentialpotential, das wahrend der Kontaktphase errichtet wurde, aufgrund der entsprechenden Austrittsarbeit aufrechtzuerhalten, wodurch das Problem entsteht, daß Ladung verloren geht.
Dann waren einige bereits vorher auf den Gegenstand übertragene Ladungen nicht effektiv am Aufladen des Gegenstandes beteiligt. Ein leitfahiges Polymer scheint erfolgreich verhindern zu können, daß diese Ladungen verloren gehen. Dann wird durch die Anordnung des leitfahigen Polymers an der Angrenzung des Aufladeelements mit dem Gegenstand ermöglicht, daß die bereits übertragenen Ladungen beim Aufladen des Gegenstandes effektiv genutzt werden können, was eine verbesserte Ladeleistung zur Folge hat.
Wir haben ferner festgestellt, daß ein zufriedenstellendes Ladungspotential mit einer relativ niedrig angelegten Spannung und stabiler Aufladeleistung erreicht wird, wenn mindestens ein Teil des Aufladeelements, das an den aufzuladenden Gegenstand angrenzt, aus einer Polyurethan-Grundverbindung mit einer Volumenresistivität von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm gebildet wird.
Deshalb stellt die vorliegende Erfindung im vierten Aspekt auch ein Aufladeelement zur Verwendung beim elektrischen Aufladen eines Gegenstandes bereit, indem das Aufladeelement in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand angelegt wird, wobei zumindest ein Teil des Aufladeelements, das sich in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand befindet, überwiegend ein Polyurethan mit einer Volumenresistivität von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm umfaßt.
Obwohl der Grund, weshalb eine Polyurethan-Grundverbindung mit einer Volumenresistivität, die auf den Bereich von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm eingestellt ist, eine verbesserte Ladungsfahigkeit ausübt, nicht hinreichend geklärt ist, gehen wir von folgender Annahme aus: Im Fall eines Polyurethans mit einer geringeren Volumenresistivität wandern für das Aufladen notwendige elektrische Ladungen an den Gegenstand, während er Kontakt mit dem Polyurethan hat, jedoch geht bei der Trennung des Polyurethans vom Gegenstand viel Ladung aus dem Gegenstand verloren, was dazu führt, daß weniger Ladung auf dem Gegenstand verbleibt. Andererseits verhindert eine größere Volumenresistivitat jenseits des weiter oben definierten Bereichs den für das Aufladen notwendigen Ladungsaustausch. Dann ermöglicht es der oben definierte Volumenresistivitätsbereich nicht nur, daß für das Aufladen genügend Ladung auf den Gegenstand übertragen wird, sondern auch, daß die bereits übertragenen Ladungen beim Abnehmen des Aufladeelements von dem Gegenstand verloren gehen, wodurch ein verbessertes Ladungsverhalten ausgeübt wird.
Auf diese Weise sind das Kontaktaufladeverfahren und die Kontaktaufladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, daß das Aufladen im einem Direkt-Auflademodus unter Ausschluß von Aufladung durch Entladung vorgenommen wird, wodurch sie die Erzeugung von Ozon erfolgreich verhindern und ein ausreichend hohes Ladungspotential mit einer relativ niedrig angelegten Spannung bereitstellen und zu einem geringeren Energieverbrauch, geringerer Vorrichtungsgröße und Geräuschentstehung beitragen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Der obige sowie weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind noch besser unter Zuhilfenahme der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu verstehen.
Die Fig. 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Kontaktaufladesystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2 ist eine schematische Veranschaulichung eines für das Kontaktaufladesystem gemaß der vorliegenden Erfindung beispielhaften Elektromodells.
Die Fig. 3 ist ein Graph, der eine Durchschlagspannung gg. den Spaltabstand zur Erläuterung des Kontaktaufladesystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Fig. 4 ist ein anderer Graph zur Erläuterung des Kontaktaufladesystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 5 ist ein Querschnitt eines beispielhaften Kontaktaufladeelements gemaß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 6 veranschaulicht schematisch eine Aufladevorrichtung unter Verwendung eines Aufladeelements gemaß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 7 veranschaulicht ein Verfahren zum Aufladen eines Gegenstandes unter Verwendung eines Aufladeelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 8 veranschaulicht schematisch eine Aufladevorrichtung unter Verwendung eines Aufladeelements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Ladungstests in Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 1 zeigt.
Die Fig. 10 ist ein Graph, der eine transiente Antwort bzw. Response von Beispiel 1 darstellt.
Die Fig. 11 ist ein Graph, der eine transiente Antwort des Vergleichsbeispiels 1 darstellt.
Die Fig. 12 ist ein Diagramm, das das Ladungspotential gg. die angelegte Spannung eines Ladungstests in Beispiel 7 und dem Vergleichsbeispiel 5 darstellt.
Die Fig. 13 ist ein Diagramm, das das Ladungspotential gg. die Volumenresistivität eines Ladungstests in Beispiel 10 zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Das Kontaktaufladeverfahren und die Kontaktaufladevorrichtung gemaß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sollen einen Gegenstand in einem Kontaktaufladeverfahren elektrisch aufladen. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 wird ein Kontaktaufladeelement in Form einer Rolle (1) in Angrenzung mit einem aufzuladenden Gegenstand in Form einer Fotoleitertrommel (2) gebracht, die aus einem zylindrischen Metallträger (2b) und einer abdeckenden Fotoleitschicht (2a) besteht. Eine Stromquelle (3) legt Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement (1) und dem Gegenstand (2) an, um dadurch den Gegenstand (2) zu laden. Die Kapazität des Kontaktaufladeelements (1), die Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes (2) und die angelegte Spannung genügen dem durch Formel (1) dargestellten Verhältnis.
C&sub1;: die Kapazität des Kontaktaufladeelements, F/µm²,
C&sub2;: die Kapazität des Gegenstandes, F/µm²,
VT: die angelegte Spannung, V, und
&epsi;&sub0;: die Vakuum-Dielektrizitätskonstante von gleich 8,854 x 10.18 F/µm.
Die durch Formel (1) dargestellte Bedingung wird per Diagramm in der Fig. 4 gezeigt, worin sich (&epsi;&sub0;/C&sub1; + &epsi;&sub0;/C&sub2;) auf der Abszisse und VT auf der Ordinate befinden. Der schraffierte Bereich ist ein der Formel (1) genügender Bereich, in dem keine Entladung stattfindet. Der freie Bereich außerhalb des schraffierten Bereichs ist ein Bereich, in dem Entladung stattfinden kann. Die vorliegende Erfindung führt das Aufladen innerhalb des schraffierten Bereichs der Fig. 4 durch die richtige Wahi der Kapazität des Kontaktaufladeelements (1), der Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes (2) und der angelegten Spannung durch. Es ist davon auszugehen, daß die Grenzlinie zwischen der entladbaren und nicht entladbaren Bereiche in der Fig. 4 den Ladungsgrenzwert (oder die Eingangs-Ladungsspannung) darstellen, damit ein Aufladen durch Entladung stattfindet.
Mit dem Kontaktaufladeverfahren und der Kontaktaufladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter den in Formel (1) dargestellten Bedingungen aufgeladen. So lange wie die Kapazität C&sub1; des Kontaktaufladeelements, die Kapazität C&sub2; des aufzuladenden Gegenstandes und die angelegte Spannung VT der Formel (1) genügen, brauchen ihnen keine weiteren Einschrähkungen hinzugefügt zu werden. Insbesondere dann, wenn die Erfindung auf elektrofotografische Geräte und elektrofotografische Drucker angewandt wird, in denen der Gegenstand auf ein Potential von mehreren hundert Volt geladen werden sollte, ist (&epsi;&sub0;/C&sub1; + &epsi;&sub0;/C&sub2;) deshalb vorzugsweise 10 oder höher (siehe Fig. 4).
Die Kapazität C&sub1; des Kontaktaufladeelements wird gemäß der Kapazität C&sub2; des aufzuladenden Gegenstandes festgelegt, so daß sie der Formel (1) genügen, und ist vorzugsweise 1 x 10&supmin;²¹ bis 1 x 10&supmin;¹&sup6; F/µm², stärker bevorzugt 1 x 10&supmin;²&sup0; bis 1 x 10&supmin;¹&sup7; F/µm².
Hinsichtlich der Form, Struktur, des Materials und anderer Faktoren des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kontaktaufladeelements herrscht große Freiheit. Diese Faktoren können gemäß einer speziellen Verwendung oder notwendigem Ladungspotential passend ausgewählt werden. Zum Beispiel kann das Element die Form einer Rolle, Bürste, Platte oder eine sonstige Form haben, wobei die Rolle bevorzugt wird. Es kann eine einschichtige Struktur oder eine mehrschichtige Struktur einschließlich zweier oder mehrerer Schichten aufweisen.
Ein bevorzugtes Beispiel des hierin verwendeten Kontaktaufladeelements ist in der Fig. 5 als rollen- bzw. walzenförmiges Element dargestellt. Das Kontaktaufladeelement (1) umfaßt einen zylindrischen Kern (4) eines leitfähigen Materials wie Metall, eine leitfähige Elastomerschicht (5), die den Kern (4) umschließt, sowie eine Oberflächenschicht (6) aus einem widerstandsmodifizierenden Material und/oder dielektrischen Material, das die Schicht (5) abdeckt.
Im allgemeinen wird das leitfähige Elastomer und die Oberflächenschichten (5) und (6) aus leitfähigen Materialien, Halbleitermaterialien, Kunstharzmaterialien, Kautschukmaterialien oder dergleichen gebildet. Beispiele für die nützlichen leitfähigen Materialien und Halbleitermaterialien schließen ein: Graphitpulver, leitfähiges Kohlepulver, Acetylenschwarz, Metallverbindungen mit Halbleitercharakter, wie TiO&sub2; und SnO&sub2;, Farbstoffe wie Anilinschwarz und leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polyacetylen, Polypyrrol, Polythiophen und Polyacen. Beispielhafte Kunstharze umfassen Polyurethan, Polyolefine, Polystyrol, Polyester, Acryle sowie Polyamide; und beispielhafte Kautschukmaterialien sind Naturkautschuk, modifizierter Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien, Isoprenkautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Chloroprenkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Terpolymer, Butylkautschuk, Acrylkautschuk, Hypalon , Siliconkautschuk, Fluoridkautschuk, Polysulfidkautschuk, Urethankautschuk, Epichlorhydrinkautschuk etc. Bevorzugt werden unter anderem Polyurethan, Polyamide, Polyester und ähnliche Kunstharze sowie Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien, Isoprenkautschuk, Epichlorhydrinkautschuk, Naturkautschuk und ähnliche Kautschukarten. Verbundmaterialien aus diesen Polymeren, die mit leitfähigen oder Halbleiter- Materialien, wie oben erwähnt, gemischt und verteilt sind, oder diese Polymere allein können zur Bildung des Aufladeelements verwendet werden. Die Polymere können als solche oder in poröser Form verwendet werden. Es wird auch bevorzugt, Polymeren hochgradig dielektrisch konstante Materialien wie BaTiO&sub3; und Polyvinylidenfluorid zuzufügen, um deren Kapazität zu regulieren. All diese Materialien können zur Bildung irgendeines Kontaktaufladeelements verwendet werden, das von der in der Fig. 5 gezeigten Struktur abweicht, zum Beispiel bürstenoder plattenförmige Kontaktaufladeelemente.
Vorzugsweise hat das Kontaktaufladeelement einen elektrischen Flächenwiderstand von 10³ bis 10¹&sup4; Ω cm, stärker bevorzugt 10&sup6; bis 10¹&sup0; Ω cm an seiner Oberfläche, die mit einem aufzuladenden Gegenstand in Kontakt kommt.
Der elektrische Flächenwiderstand wird durch die folgende Formel widergegeben:
R 5 (= elektrische Flächenresistivität)
= L,
wobei R der elektrische Widerstand (Ω) ist, L eine Länge (cm) ist, S eine Fläche (cm²) bedeutet und für die Volumenresistivität (Ω cm) steht.
In der praktischen Anwendung der Erfindung grenzt das Kontaktaufladeelement an den aufzuladenden Gegenstand, und dazwischen wird zum Aufladen des Gegenstandes Spannung angelegt. Das Anlegen von Spannung schließt sowohl das Anlegen einer Gleichspannung allein als auch das Anlegen einer Gleichspannung und einer überlappenden Wechselspannung ein. Im ersteren Fall kann die angelegte Gleichspannung jeden gewünschten Wert haben, der aus dem Bereich angelegter Spannung VT gewählt wird, der durch die Formel (1) gemäß der Kapazitäten des Kontaktaufladeelements und des Gegenstandes zulässig ist. In dem Fall, wenn eine mit einer überlappenden Wechselspannung kombinierte Gleichspannung angelegt wird, ist die angelegte Gleichspannung niedriger als die maximal angelegte Spannung VT, die durch die Formel (1) gemäß der Kapazitäten des Aufladeelements und des Gegenstandes zulässig ist. So lange das Überlappen von Wechselspannung keine Luftentladung bewirkt, kann eine Wechselspannung jeglicher Amplitude und Frequenz überlappt werden. Bevorzugt werden Wechselspannungen mit einer Amplitude von 100 bis 2500 V und einer Frequenz von 1 bis 1500 Hz, stärker bevorzugt einer Amplitude von 500 bis 2000 V und einer Frequenz von 10 bis 700 Hz.
Die Aufladevorrichtung, die ein Aufladeelement im Kontaktaufladesystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung verwendet, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsarbeit des Aufladeelements gemäß der Austrittsarbeit eines aufzuladenden Gegenstandes optimiert ist.
In der Fig. 6 ist ein Aufladeelement zusammen mit einem Gesamt-Kontaktaufladesystem abgebildet. Das Aufladeelement (1) wird als eine Rolle gezeigt, die einen zylindrischen Träger (7) umfaßt, welcher einen Metallkern (nicht abgebildet) und eine Oberflächenschicht (8) umfaßt, die den äußeren Bereich des Trägers (7) abdeckt. Das Aufladeelement (1) wird in tangentialen Kontakt mit einem aufzuladenden Gegenstand in Form einer Fotoleiter-Trommel (9) gebracht. Eine Stromquelle (10) legt Spannung zwischen dem Aufladeelement (1) und der Trommel (9) zum Aufladen der Trommel (9) an. Das Aufladeelement (1) und die Trommel (9) drehen sich während des Aufladens in entgegengesetzte Richtungen, so daß die Trommel (9) über die gesamte Oberfläche elektrisch aufgeladen wird. Diese Aufladevorrichtung kann in ein elektrofotografisches Gerat, wie einen Kopierer, eingebracht werden, indem man sie im allgemeinen mit Entwicklungs-, Übertragungs und Reinigungsbauteilen kombiniert.
Wenn es gewünscht wird, den Gegenstand oder die Trommel (9) negativ zu laden, sollte das Aufladeelement (1) eine geringere Austrittsarbeit als der Gegenstand (9) aufweisen. Im umgekehrten Fall, wenn der Gegenstand oder die Trommel (9) positiv geladen werden soll, sollte das Aufladeelement (1) eine größere Austrittsarbeit als der Gegenstand (9) aufweisen. Diese Austrittsarbeit erhält man durch die richtige Wahl des Materials, aus dem das Aufladeelement gebildet wird. Vorzugsweise trifft man die Wahl so, daß die unterschiedliche Austrittsarbeit zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand 0,05 eV oder mehr, insbesondere 0,1 eV oder mehr beträgt.
Die Austrittsarbeit des Aufladeelements (1) wird gewöhnlich durch Bilden der Oberflächenschicht (8) eingestellt, obwohl die Oberflächenschicht (8) weggelassen werden kann, wenn der zylindrische Träger (7) der erforderlichen Austrittsarbeit genügt. Dennoch wird es - nicht notwendigerweise - vorgezogen, die Oberflächenschicht (8) auf dem zylindrischen Träger (7) zu bilden, auch wenn der Träger (7) der Anforderung genügt, weil dies den Vorteil hat, daß eine Verschmutzung des Aufladeelements (1) und Undichtheit durch nadelfeine Löcher vermieden wird.
Das Material, aus dem der zylindrische Träger (7) des Aufladeelements (1) gebildet wird, kann aus den üblicherweise in Aufladeelementen des herkömmlichen Kontaktaufladesystems verwendeten Materialien, zum Beispiel Polyurethan und anderen Kunstharzen, ausgewählt werden, in denen leitfähige Teilchen aus Ruß, Kohlenstoff, Graphit, Anilinschwarz, Metall oder dergleichen oder ähnlich zusammengesetzte Kautschukarten verteilt sind.
Die Oberflächenschicht (8) wird im allgemeinen aus einer Verbindung gebildet, die ein Matrixpolymer und einen Füllstoff umfaßt. Die Austrittsarbeit dieser Verbindung weist einen zusammengesetzten Wert aus beiden Bestandteilen auf Durch die richtige Wahl dieser Bestandteile wird die Austrittsarbeit wie gewünscht eingestellt. Da die Austrittsarbeit des Aufladeelements (1) relativ zur Austrittsarbeit des aufzuladenden Gegenstandes (9) festgelegt wird, können der Füllstoff und das Matrixpolymer, die die Oberflächenschicht (8) bilden, gemäß der Austrittsarbeit des Gegenstandes (9) und abhängig davon, ob der Gegenstand (9) negativ oder positiv geladen werden soll, richtig ausgewählt werden. Beispiele für den Füllstoff und das Matrixpolymer werden weiter unten aufgeführt.
Um den Gegenstand (9) negativ zu laden, schließen beispielhafte Füllstoffe leitfahige Polymere wie Polyanilin, Ruß bzw. Blähgraphit wie SAF (super abrasion furnace = super-abriebfester Ofen(ruß)), FEF (fast extrusion furnace = schnellgleitender Ofen(ruß)), SRF (semi-reinforcing furnace = halb-strukturstabilisierender Ofen(ruß)), FT (fine thermal), Tintenkohlenstoff, Acetylenschwarz und Ketjen Black, Graphit, Alterungssschutzmittel wie N,N'-Di-β-naphthyl-p- phenylendiamin (DNPD), Metalloxide wie Sb-dotiertes SnO&sub2;, undotiertes SnO&sub2;, Sb-dotiertes TiO&sub2; und ZnO und Farbstoffe wie Anilinschwarz. Beispielhafte Matrixpolymere umfassen Harze wie Nylon, Polycarbonat, Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, chloriertes Polyethylen, Phenole, Acryle, Styrol-Butadien-Copolymere und Ethylen-Vinylacetat-Copolymere sowie Kautschukarten, wie Ure-than, Epichlorhydrin, Butadien, Silicon, Chloroprenkautschuk-Arten und Naturkautschuk, ein.
Zum positiven Aufladen des Gegenstandes (9) schließen beispielhafte Füllstoffe Polyvinylcarbazol, Diphenylguanidin (DPG), 2-Mercaptobenzimidazol (MB) und 2-Mercaptomethylbenzimidazol (MMB) sowie Metalloxide wie MgO und ZnO ein. Die Matrixpolymere sind die gleichen wie die oben beispielhaft genannten Harze und Kautschukarten.
Die Oberflächenschicht (8) kann zum Beispiel durch Auflösen des Matrixpolymers in einem geeigneten Lösungsmittel, Verteilen des Füllstoffes darin und Eintauchen des zylindrischen Trägers (7) in die Dispersion, gefolgt von einem Trockenvorgang, gebildet werden. Solange sie eine gewünschte Austrittsarbeit aufweist, ist die Dicke der Oberflächenschicht (8) nicht beschränkt. Vorzugsweise ist sie bis zu 300 µm dick. Die Menge des zugesetzten Füllstoffes ist nicht speziell begrenzt und kann passend ausgewählt werden, solange die Oberflächenschicht (8) eine gewünschte Austrittsarbeit relativ zur Austrittsarbeit des Gegenstandes (9) aufweist.
Wie weiter oben beschrieben, ist die Austrittsarbeit aus der Kontaktspannung und dem Grenzwert lichtelektrischer Emission bestimmbar. Spezieller kann die Austrittsarbeit eines Aufladeelements und eines Gegenstandes dadurch bestimmt werden, daß sie mit ultravioletter Strahlung, die eine Anregungsenergie mit großer Schwankung von einem niedrigen zu einem hohen Wert aufweist, gescannt wird und daß aufgrund des fotoelektronischen Effekts von ihrer Oberfläche ausgesandte Photoelektronen erkannt werden, wobei die Energie zu Beginn der lichtelektrischen Emission die Austrittsarbeit erzeugt.
Das Aufladeelement und die Aufladevorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind dergestalt konstruiert, daß der Gegenstand auf annehmbar konstante Weise in Übereinstimmung mit dem Kontaktaufladesystem aufgeladen werden kann, indem die Austrittsarbeit des Aufladeelements relativ zum Gegenstand gesteuert wird. Insbesondere dann, wenn das Aufladen auf die Weise vorgenommen wird, daß sie nicht mittels Luftentladung erfolgt, sondem elektrische Ladungen direkt in den Gegenstand injiziert werden, kann der Gegenstand wirksamer und stabiler aufgeladen werden. Das heißt, es wird ein Kontaktaufladeverfahren des Direkt-Aufladeinjektionsmodus bevorzugt.
Spezieller wird beim herkömmlichen Kontaktaufladeverfahren des Aufladens eines Gegenstandes, während ein Aufladeelement in Kontakt mit dem aufruladenden Gegenstand gehalten wird, das Aufladen genaugenommen durch Luftentladung über einen engen Spalt zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand vorgenommen. Wir haben festgestellt, daß es vorteilhafter ist, einen Gegenstand aufzuladen, indem ein Aufladeelement in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung dazwischen angelegt wird, wenn elektrische Ladungen direkt in den Gegenstand ohne Luftentladung injiziert werden.
Das Aufladen im Direkt-Aufladeinjektionsmodus ohne Rückgriff auf Luftentladung erfolgt wie in Verbindung mit dem ersten Aspekt beschrieben, das heißt, indem ein Kontaktaufladeelement in Angrenzung mit einem aufzuladenden Gegenstand gebracht und Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement und dem Gegenstand angelegt wird, um den Gegenstand elektrisch aufzuladen, wobei die Kapazität des Kontaktaufladeelements, die Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes und die angelegte Spannung der Formel (1) genügen. Bessere Ergebnisse werden durch Kombination der gesteuerten Austrittsarbeit des Kontaktelements relativ zum Gegenstand mit der gesteuerten Kapazität des Kontaktelements und dem Gegenstand relativ zur angelegten Spannung erzielt.
Obwohl der Grund, weshalb der Nutzen der Erfindung durch den Direkt-Aufladeinjektions modus erweitert wird, nicht hinreichend geklärt ist, sind wir der Ansicht, daß es im Gegensatz zum Aufladen durch Luftentladung, im Fall des Aufladens durch den Direkt-Aufladeinjektionsmodus, zuerst zum Ladungsaustausch kommt, wenn das Aufladeelement mit dem aufzuladenden Gegenstand in Kontakt kommt, und somit spielt die Verbindung zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand eine wichtige Rolle. Deshalb können durch eine Verbesserung des Verbindungszustandes zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand bessere Ergebnisse vom Aufladeelement und der Aufladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Es sollte beachtet werden, daß die Form des hierin verwendeten Aufladeelements nicht auf die in der Fig. 6 dargestellten Rollenform beschränkt ist. Das Aufladeelement kann jede gewünschte Form haben, die in sichere Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht werden kann, zum Beispiel die Form einer Platte, eines rechteckigen Blocks, einer Kugel oder einer Bürste. Die Gesamtanordnung der Aufladevorrichtung kann gemäß einer speziellen Verwendung oder dergleichen entsprechend abgeändert werden.
Nun wird der dritte Aspekt oder Direkt-Aufladeinjektionsmodus der vorliegenden Erfindung beschrieben. Mit Bezug auf die Fig. 7 wird zum elektrischen Laden eines Gegenstandes (12) ein Aufladeelement (11) verwendet, indem das Aufladeelement (11) in Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand (12) gebracht und durch eine Stromquelle (13) Spannung zwischen dem Aufladeelement (11) und dem Gegenstand (12) angelegt wird. Das Aufladeelement (11) selbst ermöglicht es, daß elektrische Ladungen direkt in den Gegenstand (12) ohne Luftentladung injiziert werden.
Daß ein Aufladen im Direkt-Aufladeinjektionsmodus und nicht mittels Luftentladung stattfindet, wird durch die empirische Tatsache bestätigt, daß, wenn die von der Stromquelle (13) zwischen dem Gegenstand (12) und dem Aufladeelement (11) in Angrenzung dazu angelegte Spannung allmählich von einem niedrigen Niveau gesteigert wird, die Spannung, bei der das Aufladen des Gegenstandes anfangt, 500 V oder weniger beträgt. Es ist zu beachten, daß dieser Aufladegrenzwert der absolute Wert der angelegten Spannung ist, bei dem eine Ladungsansammlung im Gegenstand (12) beginnt, wenn die zwischen dem Aufladeelement (11) und dem Gegenstand (12) angelegte Spannung erhöht wird, und deshalb kann der Grenzwert entweder ein positiver oder negativer Wert sein.
Der Ladungsgrenzwert beträgt bis zu 500 V, vorzugsweise bis zu 400 V, stärker bevorzugt bis zu 300 V; idealerweise kommt er dem Wert von fast 0 V so nah wie möglich. Wenn der Ladungsgrenzwert 500 V übersteigt, kann es zu Luftentladung kommen, so daß so hohe Spannung, wie sie von den herkömmlichen Aufladeelementen gefordert werden, angelegt werden muß, um ein zufriedenstellendes Ladungspotential zu erzielen, das Ozon abgibt.
Das Aufladeelement kann aus jedem gewünschten Material gebildet sein, das ein Aufladen im Direkt-Aufladeinjektionsmodus ohne Luftentladung ermöglicht und das spezieller einen Ladungsgrenzwert von bis zu 500 V aufweist. Bevorzugte Materialien sind Kunstharze wie Polyurethan und verschiedene Kautschukarten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des aus Polyurethan gebildeten Aufladeelements wird das Polyurethan im allgemeinen durch Mischen einer Verbindung mit mindestens zwei aktiven Wasserstoffatomen, einer Verbindung mit mindestens zwei Isocyanatgruppen und einem Katalysator, durch den sich die Mischung, falls gewünscht, ausdehnt, sowie Formpressen der Mischung, gefolgt von Heißhärtung in ein konfiguriertes Elastomer oder einen Schaum, das bzw. der als Auflade element gebrauchsfertig ist, hergestellt.
Beispiele der Verbindung mit mindestens zwei aktiven Wasserstoffatomen oder einer Polyhydroxylverbindung umfassen Polyole, die allgemein bei der Herstellung herkömmlicher Polyurethanelastomere und -schäume verwendet werden, zum Beispiel Hydroxyl-terminierte Polyetherpolyole und Polyesterpolyole sowie Polyether-Polyesterpolyole, die Copolymere dazwischen sind, als auch polymere Polyole, die man durch Polymerisierung ethylenisch ungesättigter Monomere in Polyole erhält. Diese normalen Polyole können in üblicherweise verwendeten Mengen zugegeben werden.
Beispiele der Verbindung mit mindestens zwei Isocyanatgruppen oder der Polyisocyanatverbindung umfassen Polyisocyanatverbindungen, die gewöhnlich in der Herstellung von herkömmlichen Polyurethanelastomeren und -schäumen verwendet werden, zum Beispiel Toluoldiisocyanat (TDI), Roh-TDI, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Roh-MDI, aliphatische Polyisocyanate mit 2 bis 18 Kohlenstoffatomen, aromatische Polyisocyanate mit 6 bis 15 Kohlenstoffatomen, Mischungen aus diesen Polyisocyanaten und modifizierte Polyisocyanate wie Prepolymere, die aus einer partiellen Reaktion mit Polyolen stannnen. Diese Polyisocyanate können in üblicherweise verwendeten Mengen zugegeben werden.
Dem Polyurethan kann jedes Zusatzmittel, falls gewünscht, zugegeben werden, Beispiele des Zusatzmittels schließen Ruß bzw. Blähgraphit, Kohlenstoff, Graphit, Metalle und anorganische Verbindungen ein. Vorzugsweise werden dem Polyurethan Zusatzmittel zugegeben, um seine Volumenresistivität von 10&sup4; auf 10¹² Ω cm zu steuern. Diese Zusatzmittel können eine Kugel-, Whisker-, Flocken- oder unregelmäßige Form aufweisen.
Wo geschäumtes Polyurethan gewünscht wird, gibt es wahlfrei beigemischte zusätzliche Zusatzmittel, zum Beispiel Siliconschaum-Stabilisatoren, Flammschutzmittel, organische Füllstoffe, anorganische Füllstoffe, Pigmente, Weichmacher und Hilfs-Schaumbildner wie Freon und Methylenchlorid.
Obwohl das Aufladeelement der Erfindung so konstruiert ist, daß das Aufladen im Direkt- Aufladeinjektionsmodus durchgeführt wird, ohne auf den Luftentladungsmodus zurückzugreifen, ist ein gewisses Maß an Luftentladung zulässig. Allerdings sollte eine Luftentladung zur Erzielung besserer Ergebnisse so weit wie möglich vermieden werden. Es wird vorgezogen, das Aufladen im wesentlichen allein im Direkt-Aufladeinjektionsmodus vorzunehmen. Zur Vermeidung der damit einhergehenden Luftentladung ist es wichtig, daß das Aufladeelement während des Aufladevorgangs oder dem Anlegen von Spannung sicheren Kontakt mit dem aufzuladenden Gegenstand hat. Anders ausgedrückt ist die Aufladevorrichtung so angeordnet, daß während des Aufladevorgangs ein ständiger Kontakt zwischen dem Aufladeelement und dem Gegenstand gewährleistet ist.
Es ist zu beachten, daß die Form des hierin verwendeten Aufladeelements nicht auf die in der Fig. 7 dargestellten Rollenform beschränkt ist. Das Aufladeelement kann jede gewünschte Form haben, die in sichere Angrenzung mit dem aufzuladenden Gegenstand gebracht werden kann, zum Beispiel die Form einer Platte, eines rechteckigen Blocks, einer Kugel oder einer Bürste. Am häufigsten hat das Aufladeelement die Form einer Rolle.
Nachfolgend wird der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Aufladeelement dieser Ausführungsform verfügt über ein leitfahiges Polymer, das sich an der Angrenzung des Elements mit einem aufzuladenden Gegenstand befindet.
Mit Bezug auf die Fig. 8 ist ein Aufladeelement zusammen mit einem Gesamt-Kontaktaufladesystem abgebildet. Das Aufladeelement (1) wird als eine Rolle dargestellt, die einen zylindrischen Träger (7) und eine Kontakt- oder Angrenzungsschicht (14), die aus einem leitfähigen Polymer besteht, welches die äußere Peripherie des Trägers (7) abdeckt, umfaßt. Das Aufladeelement (1) wird in tangentialen Kontakt mit einem aufzuladenden Gegenstand in Form
einer Fotoleitertrommel (9) gebracht. Zum Aufladen der Trommel (9) legt eine Stromquelle (10) Spannung zwischen dem Aufladeelement (1) und der Trommel (9) an. Das Aufladeelement (1) und die Trommel (9) drehen sich während des Aufladens in entgegengesetzte Richtungen, so daß die Trommel (9) über die gesamte Oberfläche elektrisch aufgeladen wird.
Jedes gewünschte leitfähige Polymer kann verwendet werden, wie zum Beispiel Polyanilin, Polypyrrol, Polyfuran, Polybenzol, Polyphenylensulfid und Derivate davon, wobei das Polyanilin, Polypyrrol und Derivate davon bevorzugt werden.
Das leitfähige Polymer kann in jeder gewünschten Form verwendet werden, zum Beispiel als Folien, die aus dem leitfähigen Polymer bestehen, als geformte Körper, die man durch Verfestigen dispersen leitfähigen Polymers erhält, oder als Verbundkörper aus dispersem leitfähigen Polymer, das mit einem anderen Polymer vermischt ist, und dergleichen. Im Fall der Verbundkörper liegt die Menge des beigemischten leitfähigen Polymers vorzugsweise im Bereich von 5 bis 70 Gew.-%, insbesondere von 10 bis 50 Gew.-%, obwohl die Menge nicht kritisch ist. Das andere Polymer, das in Mischung mit dem leitfähigen Polymer verwendet werden kann, kann jedes Polymer sein, das mit dem leitfähigen Polymer als Füllstoff geladen werden kann, zum Beispiel Polyethylen, Polystyrol, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Polycarbonat, Polypropylen, Polyvinylalkohol, Nylon, Polyvinylchlorid, Phenolharze und Acrylharze.
Das leitfähige Polymer kann auf einfache Weise durch herkömmliche chemisch-oxidative Polymerisation oder elektrolytische Polymerisation hergestellt werden. Im ersteren Fall wird Polyanilin im allgemeinen durch oxidative Polymerisation von Anilin in einer sauren wäßrigen Lösung hergestellt, die eine Säure (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure, Borfluorwasserstoffsäure und Essigsäure) sowie ein Oxidationsmittel (z. B. Eisen(III)-chlorid, Ammoniumpersulfat, Kaliumbichromat und Kaliumpermanganat) enthält. Das resultierende Polyanilin wird mit Wasser und Alkohol gewaschen, wahlweise angemessen dotiert oder undotiert, und dann zur Verwendung als Aufladeelement getrocknet.
Je nach Herstellungstechnik ist das leitfähige Polymer in Form von Teilchen erhältlich, die durch die chemisch-oxidative Polymerisationstechnik polymerisiert werden, oder als Folie, die durch die elektrolytische Polymerisationstechnik polymerisiert wird. Das Herstellungsverfahren kann je nach der gewünschten Form für die anschließende Verwendung gewählt werden. Wo das Polymer in disperser Form hergestellt wird, vor allem dann, wenn es in Mischung mit einem anderen Polymer verwendet wird, sollte die Größe der Teilchen vorzugsweise so gering wie möglich sein, weil kleinere Teilchen zu einem gleichmäßigen Aufladen neigen. Das Polymer wird vorzugsweise in Teilchen mit einer Größe von bis zu 100 µm, stärker bevorzugt von bis zu 10 µm, am stärksten bevorzugt von bis zu 1 µm, polymerisiert.
Das Aufladeelement der Erfindung umfaßt im allgemeinen den zylindrischen Träger (7) aus einem Material mit mittlerer Leitfähigkeit (Rolle in der veranschaulichten Ausführungsform) und die ringförmige Abdeckung (14) eines leitfähigen Polymers oder einer zusammengesetzten Verbindung daraus, die sich an den Träger (7) anschließt, wie in der Fig. 8 dargestellt. Naturlich kann das Gesamt-Aufladeelement aus einem leitfähigen Polymer allein oder einer zusammengesetzten Verbindung daraus gebildet sein. Der Träger kann aus Metallen, Urethan oder dergleichen gebildet sein, wobei das Urethan bevorzugt wird.
Es ist zu beachten, daß die Form des hierin verwendeten Aufladeelements nicht auf die in der Fig. 8 dargestellten Rollenform beschränkt ist. Das Aufladeelement kann jede gewünschte Form haben, zum Beispiel die Form einer Platte, eines rechteckigen Blocks, einer Kugel oder einer Bürste. Das Aufladeelement hat häufig die Form einer Rolle und manchmal die einer Bürste.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Aufladeelement so beschaffen, daß zumindest ein Teil des Aufladeelements, das in Kontakt mit dem aufzuladenden Gegenstand kommt, überwiegend ein Polyurethan mit einer Volumenresistivität von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm umfaßt. Die Struktur dieses Aufladeelements kann die gleiche sein wie die, die in der Fig. 8 dargestellt ist.
Unter nochmaligem Bezug auf die Fig. 8 umfaßt das Aufladeelement (1) einen rollenförmigen Träger (7) und eine Kontakt- oder Angrenzungsschicht (14), die den Träger (7) abdeckt. Die Kontaktschicht (14) wird aus einer Polyurethan-Grundverbindung mit einer Volumenresistivität von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm gebildet. Das Aufladeelement (1) wird in Kontakt mit einem aufzuladenden Gegenstand in Form einer Fotoleiter-Trommel (9) gebracht. Eine Stromquelle (10) legt Spannung zwischen dem Aufladeelement (1) und der Trommel (9) zum Aufladen der Trommel (9) an. Das Aufladeelement (1) und die Trommel (9) drehen sich während des Aufladens in entgegengesetzte Richtungen, so daß die Trommel (9) über die gesamte Oberfläche elektrisch aufgeladen wird.
Das Polyurethan, aus dem der Teil (14) des Aufladeelements, der an die Trommel (9) angrenzt, hauptsächlich gebildet wird, ist nicht speziell beschränkt, wird aber im allgemeinen durch Mischen einer Verbindung mit mindestens zwei aktiven Wasserstoffatomen, einer Verbindung mit mindestens zwei Isocyanatgruppen und einem Katalysator, der dazu führt, daß sich die Mischung, falls gewünscht, ausdehnt, sowie Formpressen der Mischung, gefolgt von Heißhärtung in ein konfiguriertes Elastomer oder einen Schaum, gebildet.
Beispiele der Verbindung mit mindestens zwei aktiven Wasserstoffatomen oder einer Polyhydroxylverbindung umfassen Polyole, die allgemein in der Herstellung herkömmlicher Polyurethan-Elastomere und -schäume verwendet werden, zum Beispiel Hydroxyl-terminierte Polyetherpolyole und Polyesterpolyole sowie Polyether-Polyesterpolyole, die dazwischenliegende Copolymere sind, als auch polymere Polyole, die man durch Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren in Polyole erhält. Diese normalen Polyole können in üblicherweise verwendeten Mengen zugegeben werden. Beispiele der Verbindung mit mindestens zwei Isocyanatgruppen oder einer Polyisocyanatverbindung umfassen Polyisocyanatverbindungen, die gewöhnlich bei der Herstellung herkömmlicher Polyurethanelastomere und -schäume verwendet werden, zum Beispiel Toluoldiisocyanat (TDI), Roh-TDI, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Roh-MDI, aliphatische Polyisocyanate mit 2 bis 18 Kohlenstoffatomen, aromatische Polyisocyanate mit 4 bis 15 Kohlenstoffatomen, Mischungen aus diesen Polyisocyanaten und modifizierte Polyisocyanate wie Prepolymere, die aus einer Teilreaktion mit Polyolen resultieren. Diese Polyisocyanate können in üblicherweise verwendeten Mengen zugegeben werden.
Dem Polyurethan wird/werden (ein) geeignete(r) Füllstoff(e) zugegeben, um seine Volumenresistivität auf 10&sup4; bis 10¹² Ω cm, vorzugsweise 10&sup5; bis 10¹¹ Ω cm, stärker bevorzugt auf 10&sup6; bis 10¹¹ Ω cm zu steuern. Der Füllstoff kann jeder gewünschte sein, der ein Verbundmaterial mit einer speziellen Volumenresistivität herstellen kann. Beispiele des Füllstoffes umfassen Kohlenstoff, Graphit, Metalle, andere anorganische Verbindungen und leitfähige Polymere. Diese Füllstoffe können eine Kugel-, Whisker-, Flocken- oder Filamentform haben. Die Größe des Füllstoffes ist nicht beschränkt, obwohl für eine gleichmäßige Verteilung eine Größe von 1 nm bis 100 µm, stärker bevorzugt 1 nm bis 10 µm, am stärksten bevorzugt 1 nm bis 1 µm gewünscht wird.
Der Füllstoff kann dem Polyurethan in jeder beliebigen Phase zugegeben werden. Ein bevorzugter Ansatz besteht darin, den Füllstoff einem Polyol oder einer Verbindung mit mindestens zwei aktiven Wasserstoffatomen zuzugeben und dann mit einer Verbindung mit mindestens zwei Isocyanatgruppen reagieren zu lassen. Eine bestimmte Art von Polyol oder Isocyanatverbindung kann die oben festgelegte Volumenresistivität ohne Zugabe des Füllstoffes erreichen. In einem solchen Fall ist es unnötig, einen Füllstoff zuzugeben.
Wo geschäumtes Polyurethan gewünscht wird, gibt es wahlfrei beigemischte zusätzliche Zusatzstoffe, zum Beispiel Silicon-Schaumstabilisatoren, Flammschutzmittel, organische Füllstoffe, anorganische Füllstoffe, Pigmente, Weichmacher und Hilfsschaumbildner wie Freon und Methylenchlorid.
Häufig umfaßt das Aufladeelement der Erfindung einen zylindrischen Träger aus einem leitfähigen Material, wie Metallen und Kohlenstoff (Rollenform in der Fig. 8) und eine ringförmige Kontaktabdeckung aus Polyurethan oder einer zusammengesetzten Verbindung daraus, die sich an den Träger anschließt, wie in der Fig. 8 dargestellt. Natürlich kann das Gesamt- Aufladeelement allein aus einem Polyurethan oder einer Compositzusammensetzungen davon gebildet sein. Falls gewünscht, kann die Kontaktschicht aus Polyurethan oder einer Compositzusammensetzung davon mit einer polymeren Nylonbeschichtung, einem Ethylen-Vinylacetat Copolymer (EVA) oder Polyvinylalkohol (PVA) bedeckt sein.
Es ist zu beachten, daß die Form des hierin verwendeten Aufladeelements nicht auf die in der Fig. 8 gezeigten Rollenform beschränkt ist. Das Aufladeelement kann jede gewünschte Form haben, die einen engen Kontakt mit dem aufzuladenden Gegenstand sicherstellt, zum Beispiel die einer Platte, eines rechteckigen Blocks, einer Kugel und einer Bürste.

BEISPIEL

Beispiele der vorliegenden Erfindung werden unten durch Veranschaulichung und nicht durch Beschränkung gegeben.

Beispiel 1

Ein plattenförmiges Aufladeelement wurde durch Zugabe von 17 Gew.-% Graphitpulver zu einem Polyurethanharz und Formen des Harzes zu einem 3 mm dicken Streifen hergestellt. Dieser Streifen wies einen elektrischen Flächenwiderstand von 8 x 10&sup8; Ω cm² und eine Kapazität von 1,4 x 10&supmin;¹&sup9; F/µm² auf Der Streifen wurde in eine Platte von 20 x 20 mm geschnitten. Die Platte wurde mit einem leitfähigen doppelseitigen Klebeband an einem Aluminiumträger befestigt, wodurch man das plattenförmige Kontaktaufladeelement erhielt.
Es wurde ein Ladungstest durchgeführt, indem dieses Kontaktaufladeelement auf der Seite des Streifens in Angrenzung mit einem aufzuladenden Gegenstand in Form einer anorganischen Fotoleitertrommel mit einer Kapazität von 1,1 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm² gebracht und Spannung zwischen dem Element und der Trommel angelegt wurde. Die angelegte Spannung wurde schrittweise erhöht, und das Ladungspotential des Gegenstandes wurde in jeder Phase gemessen. In der Fig. 9 wird das Ladungspotential relativ zu der angelegten Spannung dargestellt. In diesem Ladungstest war (&epsi;&sub0;/C&sub1; + &epsi;&sub0;/C&sub2;) gleich 71,2, und die maximal zulässige angelegte Spannung, VT, betrug etwa 1496 V, wie aus der Formel (1) berechnet.
Mit einer angelegten Spannung von -1200 V wurde die transiente Stromresponse in dem Moment beobachtet, in dem das Kontaktaufladeelement mit dem Gegenstand in Kontakt gebracht wurde. Die Responsekurve ist in der Fig. 10 dargestellt, in der die Position eines Pfeils den Kontaktzeitpunkt darstellt. Eine Kurve aus einer durchgezogenen Linie stellt den Wert des Leitungsstroms dar, und eine Kurve aus einer gestrichelten Linie stellt die Menge an übertragener Elektrizität dar, wie sich durch Integration der Stromwerte ergibt.

Vergleichsbeispiel 1

Ein plattenförmiges Kontaktaufladeelement wurde hergestellt, indem Butadienkautschuk mit leitfähigem Kohlenstoff gemischt und der leitfähige Kautschuk zu einem Streifen mit einem elektrischen Flächenwiderstand von 10³ Ω cm² geformt wurde. Der leitfähige Kautschukstreifen wurde beschichtet, indem er in eine leitfähige Zusammensetzung in Form einer einteiligen Urethanlösung mit darin verteiltem Kohlenstoff getaucht wurde, wodurch auf dem leitfähigen Kautschukstreifen eine leitfähige Schutzbeschichtung mit einem elektrischen Flächenwiderstand von 10&sup8; Ω cm² gebildet wurde. Dieser leitfähige Kautschukstreifen wies einen elektrischen Flächenwiderstand von 2 x 10&sup7; Ω cm² und eine Kapazität von 2 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm² auf. Der Streifen wurde zu einer Platte von 20 x 20 mm geschnitten. Die Platte wurde mit einem leitfähigen doppelseitigen Klebeband an einem Aluminiumträger befestigt, wodurch man das plattenförmige Kontaktaufladeelement erhielt.
Unter Verwendung dieses Kontaktaufladeelements wurde ein Ladungstest, wie in Beispiel 1, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Fig. 9 dargestellt. In diesem Ladungstest war (&epsi;&sub0;/C&sub1; + &epsi;&sub0;/C&sub2;) gleich 12,2, und die maximal zulässige angelegte Spannung, VT, betrug etwa 695 V, wie aus der Formel (1) berechnet.
Mit einer angelegten Spannung von -1500 V wurde die transiente Response des Stroms wie in Beispiel 1 beobachtet. Die Responsekurve ist in der Fig. 11 dargestellt.
Wie aus der Fig. 9 zu ersehen ist, wurde im Vergleichsbeispiel 1 ein Ladungsgrenzwert oder eine Ladungseingangsspannung von etwa -700 V beobachtet, welche der berechneten maximal zulässigen angelegten Spannung von 695 V bestens entsprach. Aus diesem Grund fand im Vergleichsbeispiel 1 ein Aufladen mittels eines Luftentladungsverfahrens statt, während dessen Ozon erzeugt wurde. Auch die transiente Response von Fig. 11 zeigt, daß eine auf Entladung zurückgeführte Röchststromstärke zum Zeitpunkt des Kontakts auftrat, wodurch bewiesen wurde, daß es zu Luftentladung kam.
Im Gegensatz dazu wurde im Beispiel 1 mit einer berechneten maximal zulässigen angelegten Spannung von 1496 V beobachtet, daß das Aufladen bei einer angelegten Spannung von etwa -100 V begann und daß ein großes Ladungspotential von etwa -750 V mit einer angelegten Spannung von -1200 V, wie aus der Fig. 9 hervorgeht, erhalten wurde. Deshalb fand im Beispiel 1 ein Aufladen durch einen Auflademodus statt, der nicht auf Luftentladung basiert, wahrscheinlich durch einen direkten Aufladungsübertragungsmodus, und während des Aufladevorgangs wurde kein Ozon erzeugt. Die transiente Response der Fig. 10 zeigt, daß keine Höchststromstärke aufgrund von Entladung im Moment des Kontakts auftrat, und die Menge übertragener Elektrizität nahm im Lauf der Zeit allmählich zu. Dies beweist auch, daß das Aufladen mittels eines Auflademodus erfolgte, der nicht auf Luftentladung basiert, wahrscheinlich durch einen direkten Aufladungsübertragungsmodus.
Die Vorteile von Beispiel 1 innerhalb des Umfangs der Erfindung bestehen darin, daß es zu keiner Luftentladung kommt, eine Erzeugung von Ozon somit ausgeschlossen ist und ein größeres Ladungspotential mit einer niedrigeren angelegten Spannung erreicht wird als im Vergleichsbeispiel 1, in dem Luftentladung angewandt wurde.

Beispiel 2

Ein rollenförmiges Aufladeelement wurde hergestellt, indem 20 Gew.-Teile Polyanilinpulver 100 Gew.-Teilen löslichem Nylon in Methanol zugegeben wurden und die Bestandteile in einem "Red Devil"-Gerät gemischt wurden, um eine Dispersion zu bilden. Eine leitfähige Polyurethanschaum-Rolle wurde in die Dispersion getaucht und getrocknet, wobei sie eine Oberflächenschicht von 50 µm Dicke auf der Rolle bildete.
Die Austrittsarbeit und Kapazität des Aufladeelements wurden gemessen und hinsichtlich der Aufladefähigkeit bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Austrittsarbeit wurde durch Scannen des Aufladeelements und des aufzuladenden Gegenstandes mit Ultraviolettstrahlung mit einer Anregungsarbeit, die von einem hohen zu einem niedrigen Wert schwankte, und Detektieren von Fotoelektronen, die aufgrund der lichtelektrischen Wirkung von ihrer Oberfläche abgegeben werden, bestimmt, wobei die Energie zu Beginn der lichtelektrischen Emission die Austrittsarbeit liefert. Die Aufladefähigkeit wurde bewertet, indem eine organische Fotoleiter-(OPC)-Trommel mit einer Austrittsarbeit von 5,17 eV und einer Kapazität von 1 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm² als der aufzuladende Gegenstand in der Anordnung, wie sie in der Fig. 6 dargestellt ist, verwendet wurde, das Aufladeelement und die OPC-Trommel in entgegengesetzte Richtungen gedreht wurden und eine Gleichspannung von -0,75 kV mit einer überlappenden Wechselspannung von 1,5 kV dazwischen angelegt wurde, wodurch die OPC- Trommel negativ geladen wurde, sowie durch Messen des Ladungspotentials der OPC- Trommel.

Beispiel 3

Ein Aufladeelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 Gew.-Teile undotiertes SnO&sub2;-Pulver anstelle des Polyanilinpulvers zugegeben wurden. Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit, Kapazität und Ladefähigkeit wie in Beispiel 2 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Beispiel 4

Ein Aufladeelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 Gew.-Teile N,N'-Di-β-naphthyl-p-phenylendiamin-(DNPD)-Pulver anstelle des Polyanilinpulvers zugegeben wurden. Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit, Kapazität und Aufladefähigkeit wie in Beispiel 2 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Aufladeelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 Gew.-Teile MgO-Pulver anstelle des Polyanilinpulvers zugegeben wurden. Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit, Kapazität und Aufladefähigkeit wie in Beispiel 2 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Vergleichsbeispiel 3

Ein Aufladeelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 Gew.-Teile ZnO-Pulver anstelle des Polyanilinpulvers zugegeben wurden. Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit, Kapazität und Aufladefahigkeit wie in Beispiel 2 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1
* OPC-Austrittsarbeit = 5,17 eV
Kapazität = 1 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm²

Beispiel 5

Ein rollenförmiges Aufladeelement wurde hergestellt, indem 30 Gew.-Teile MgO-Pulver 100 Gew.-Teilen löslichem Nylon in Methanol zugegeben wurden und die Bestandteile in einem "Red Devil"-Gerät zur Bildung einer Dispersion vermischt wurden. Eine leitfähige Polyurethanschaum-Rolle wurde in die Dispersion getaucht und getrocknet, wodurch eine 50 µm dicke Oberflächenschicht auf der Rolle gebildet wurde.
Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit und Kapazität gemessen und bezüglich der Aufladefahigkeit bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Austrittsarbeit wurde wie in Beispiel 2 bestimmt. Die Aufladefähigkeit wurde bewertet, indem eine organische Fotoleiter-(OPC)-Rolle mit einer Austrittsarbeit von 5,24 eV und einer Kapazität von 1,9 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm², wie der aufzuladende Gegenstand in der in der Fig. 6 dargestellten Anordnung, verwendet, das Aufladeelement und die OPC-Trommel in entgegengesetzte Richtungen gedreht und dazwischen eine Gleichspannung von +0,75 kV mit einer überlappenden Wechselspannung von 1,5 kV angelegt - wodurch die OPC-Trommel positiv geladen wurde - und das Ladungspotential der OPC-Trommel gemessen wurde.

Beispiel 6

Ein Aufladeelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 5 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 Gew.-Teile N,N'-di-β-naphthyl-p-phenylendiamin-(DNPD)-Pulver anstelle des MgO-Pulvers zugegeben wurde. Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit, Kapazität und Aufladefahigkeit wie in Beispiel 5 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Vergleichsbeispiel 4

Ein Aufladeelement wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 5 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 30 Gew.-Teile ZnO-Pulver anstelle des MgO-Pulvers zugegeben wurden. Das Aufladeelement wurde hinsichtlich Austrittsarbeit, Kapazität und Aufladefahigkeit wie in Beispiel 5 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2
* OPC- Austrittsarbeit = 5,24 eV
Kapazität = 1,9 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm²
Wie aus den Tabellen 1 und 2 ersichtlich ist, können das Aufladeelement und die Aufladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein größeres Ladungspotential oder ein höheres Ladungsniveau bereitstellen. Da die Beispiele 2 bis 6 der Beziehung von Formel (1) genügen, findet das Aufladen im Direkt-Aufladeinjektionsmodus statt. Durch Kombination des Direkt- Aufladeinjektionsmodus mit der Steuerung der Austrittsarbeit wird ein signifikant größeres Ladungspotential erreicht.
Kopierer wurden durch Einbau der Aufladevorrichtung der Beispiele 2 bis 6 hergestellt und für eine Reihe von Vervielfaltigungsdurchläufen betrieben. Es wurden klare Bilder ohne Körnchen oder Schleier erhalten.

Beispiel 7

Ein Polyurethanschaum wurde hergestellt, indem 100 Gew.-Teile Polyetherpolyol, 25 Gew.- Teile Urethan-modifiziertes 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat (MDI), 2,5 Gew.-Teile 1,4- Butandiol, 1,5 Gew.-Teile eines Silicontensid, 0,5 Gew.-Teile Nickelacetylacetonat und 30 Gew.-Teile natürliches Graphit 2 Minuten lang sorgfältig geschüttelt und die Mischung bei 80ºC 10 Minuten lang gehärtet wurde. Der Polyurethanschaum wurde zu einer Platte von 20 x 20 x 3 mm geschnitten, die als ein Aufladeelement verwendet wurde.
Dieses Aufladeelement wurde hinsichtlich der Aufladefahigkeit bewertet. Der aufzuladende Gegenstand war ein Fotoleiter aus Polyvinylcarbazol. Das Aufladeelement wurde in Angrenzung mit dem Gegenstand gebracht, und es wurde eine Spannung zwischen dem Element und dem Gegenstand angelegt. Die angelegte Spannung wurde von 0 V allmählich gesteigert, während das Ladungspotential des Gegenstandes gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in der Fig. 12 dargestellt.
Wie aus der Fig. 12 hervorgeht, wies dieses Aufladeelement einen Ladungsgrenzwert von etwa 200 V auf, was deutlich weniger als 500 V war, und es wurde ein zufliedenstellendes Ladungspotential von -400 V mit einer angelegten Spannung von etwa 700 V erhalten. Beim Betrachten des Stroms durch ein Oszilloskop während des Ladungstests wurde kein Zündstrom im Zusammenhang mit Luftentladung beobachtet. Während des Tests wurde keine Ozonerzeu gung festgestellt.

Vergleichsbeispiel 5

Ein Aufladeelement wurde wie in Beispiel 7 hergestellt mit der Ausnahme, daß ein Butadienkautschuk von 10 Gew.-% mit darin vermischtem Kohlenstoff verwendet wurde. Es wurde wie in Beispiel 7 bewertet. Die Ergebnisse sind in der Fig. 12 dargestellt.
Wie aus der Fig. 12 hervorgeht, wies dieses Vergleichs-Aufladeelement einen Ladungsgrenzwert von etwa 600 V auf, der höher als 500 V lag. Um ein Ladungspotential bereitzustellen, das dem von Beispiel 7 entspricht, ist eine wesentlich höhere angelegte Spannung nötig als in Beispiel 7. Beim Betrachten des Stroms während des Ladungstests durch ein Oszilloskop wurde fünkengebender Strom im Zusammenhang mit Luftentladung beobachtet. Während des Tests wurde die Erzeugung von Ozon festgestellt.

Beispiel 8

Ein Polyanilinpulver wurde hergestellt, indem eine wäßrige Lösung mit 0,4 mol/l Anilin, 1, mol/l H&sub2;SO&sub4; und 0,5 mol/l Ammoniumpersulfat bereitgestellt wurde und Anilin gemäß einem chemisch-oxidativen Polymerisationsveffahren polymerisiert wurde. Das Polyanilin wurde mit NaOH neutral eingestellt, mit Wasser gewaschen und getrocknet, wodurch man Polyanilinteilchen mit einer Teilchengröße von etwa 1 µm erhielt.
100 Gew.-Teilen löslichem Nylon in Methanol wurden 50 Gew.-Teile des Polyanilinpulvers zugegeben. Die Mischung wurde zur Bildung einer Losung mlt einem "Red Devil"-Gerät geschüttelt. Eine Polyurethanrolle mit einer Volumenresistivität von 10&sup7; Ω cm wurde in die Lösung getaucht und getrocknet, wodurch eine Polyanilinlnylon-Verbundschicht an der Oberfläche der Polyurethanrolle befestigt wurde. Auf diese Weise wurde ein rollenförmiges Aufladeelement hergestellt.
Ein Ladungstest wurde durchgeführt, indem das Aufladeelement in Kontakt mit einer Fotoleitertrommel gebracht wurde, diese gedreht wurden und eine Gleichspannung von -1,2 kV dazwischen angelegt wurde. Die Fotoleitertrommel auf der Oberfläche wurde gleichmäßig auf -455 V aufgeladen.

Beispiel 9

Das wie in Beispiel 8 erhaltene Polyanilin wurde mit Hydrazin vollständig reduziert und dann in N-Methylpyrrolidon gelöst. Eine wie in Beispiel 8 verwendete Polyurethanrolle wurde in die Lösung getaucht und getrocknet, wodurch eine Polyanilinschicht auf der Oberfläche der Polyurethanrolle befestigt wurde. Auf diese Weise wurde ein rollenförmiges Aufladeelement hergestellt.
Ein Ladungstest wurde auf diesem Aufladeelement, wie in Beispiel 8, durchgeführt. Die Fotoleitertrommel auf der Oberfläche wurde gleichmäßig auf -370 V aufgeladen.

Vergleichsbeispiel 6

Unter Verwendung einer wie in den Beispielen 8 und 9 als das Aufladeelement ohne weitere Behandlung verwendeten Polyurethanrolle wurde ein Ladungstest, wie in den Beispielen 8 und 9, durchgeführt. Die Fotoleitertrommel wurde kaum aufgeladen.

Beispiel 10 & Vergleichsbeispiel 7

Zusammengesetzte Polyurethankorper mit schwankender Volumenresistivität wurden unter Verwendung eines Polyetherpolyols in Form von Glycerin hergestellt, dem Propylenoxid und Ethylenoxid als eine Verbindung zugegeben wurde, die mindestens zwei aktive Wasserstoffatome besitzt, und dem ein Urethan-modifiziertes MDI als eine Verbindung mit mindestens zwei Isocyanatgruppen zugegeben wurde und 15 bis 23 Gew.-% Graphit hinzugefügt wurden. Als Polymerisationshilfen wurde je nach vorliegendem Fall ein Silicontensid, Dibutylzinnlaurat oder dergleichen verwendet. Heißhärten wurde 20 Minuten lang bei 80ºC durchgeführt.
Auf jedem Polyurethan-Verbund-Aufladeelement wurde ein Ladungstest durchgeführt, indem das Aufladeelement mit einer Fotoleitertrommel in Kontakt gebracht, diese gedreht wurden und eine Gleichspannung von 1,2 kV dazwischen angelegt wurde. Das Ladungspotential wurde relativ zur Volumenresistivität geplottet, wodurch man die Fig. 13 erhielt.
Wie aus der Fig. 13 hervorgeht, stellen diese Aufladeelemente mit einer Volumenresistivität im Bereich von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm gemäß der vorliegenden Erfindung ein größeres Ladungspotential und eine bessere Aufladeleistung als die Aufladeelemente mit einer Volumenresistivität außerhalb des Bereichs bereit.

Claims

1. Kontaktaufladevorrichtung zum elektrischen Aufladen eines Gegenstandes, umfassend

ein Kontaktaufladeelement (1), das in Angrenzung mit einer Oberfläche (2a) des aufzuladenden Gegenstandes (2) angeordnet ist, und

eine Einrichtung (3) zum Anlegen einer Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement und dem Gegenstand zum elektrischen Aufladen des Gegenstandes,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kontaktaufladeelements, die Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes und die angelegte Spannung der folgenden Gleichung genügen:

worin bedeuten:

C&sub1; die Kapazität des Kontaktaufladeelements, F/µm²,

C&sub2; die Kapazität des Gegenstandes, F/µm²&sub9;

VT die angelegte Spannung, V, und

&epsi;&sub0; die Vakkum-Dielektrizitätskonstante von gleich 8,854 x 10&supmin;¹&sup8; F/µm.

2. Aufladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Aufladeelements (1), das an den aufzuladenden Gegenstand (2) angrenzt, eine geringere oder größere Austrittsarbeit als die Oberfläche des Gegenstandes aufweist, und daß elektrische Ladungen direkt in den Gegenstand ohne Luftentladung injiziert werden.

3. Aufladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitfähiges Polymer an der Angrenzung mit dem Gegenstand (2) verteilt ist.

4. Aufladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Aufladeelements (1), das an den aufzuladenden Gegenstand (2) angrenzt, vorwiegend ein Polyurethan mit einer Volumenresistivität von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm umfaßt.

15. Kontaktaufladeverfahren, umfassend die Schritte des Anordnens eines Kontaktaufladeelements in Angrenzung mit einem aufzuladenden Gegenstand und des Anlegens einer Spannung zwischen dem Kontaktaufladeelement und dem Gegenstand zum elektrischen Aufladen des Gegenstands, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kontaktaufladeelements, die Kapazität des aufzuladenden Gegenstandes und die angelegte Spannung der folgenden Gleichung genügen:

worin bedeuten:

C&sub1; die Kapazität des Kontaktaufladeelements, F/µm²,

C&sub2; die Kapazität des Gegenstandes, F/µm²,

VT die angelegte Spannung, V, und

6. Kontaktaufladeverfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Aufladeelements, von dem mindestens ein Teil eine geringere oder größere Austrittsarbeit als die Oberfläche des Gegenstandes aufweist, und durch das direkte Injizieren elektrischer Ladungen in den Gegenstand ohne Luftentladung.

7. Kontaktaufladeverfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verteilung eines leitfähigen Polymeren an der Angrenzung mit dem Gegenstand.

8. Kontaktaufladeverfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Aufladeelements. von dem mindestens ein Teil vorwiegend einpolyurethan mit einer Volumenresistivität von 10&sup4; bis 10¹² Ω cm umfaßt.