专利名称：在单成分显影系统中使用不同大小的覆层颗粒的方法
技术领域：
本发明一般涉及电子照相术，更具体地说，涉及便于静电图像的有效显影和一贯的高质量图像输出的非接触式单成分显影系统和单成分色粉。
背景技术：
电子照相成像法(或静电印刷术)是一种熟知的复印或印刷文件的方法。通常，电子照相成像采用可保持电荷的、最初均匀充电的感光表面(通称感光体)。然后，感光体曝光于所需图像的光图像表示下，使得感光体表面的特定区域放电而产生潜像。通过采用显影系统来施加色粉粉末，显影系统将色粉从色粉容器送到潜像，从而形成显影图像。然后，此显影图像从感光体转印到衬底(例如，纸张、透明胶片等)。
彩色电子照相成像法一般是这样实现的对所需色粉的每种色彩或色调重复上述相同过程，并且将每个显影图像存储在累加器中，直到获得所有所需的色彩或色调，然后将其转印到衬底(例如，纸张、透明胶片等)。
本领域中已知多种将色粉带到显影区域并使潜像显影的显影系统。一种方法称为“非接触式”或“跳起式”显影系统。在操作中，色粉薄层附着在色粉支撑部件上，该支撑部件与感光体的潜像承载面相互隔开。当将色粉带到色粉支撑部件与感光体之间的显像区域时，与感光体的潜像区域相关的偏压趋于施加静电力，将色粉颗粒引向感光体表面上的潜像区域。静电力的大小往往不足以克服将色粉颗粒保持在色粉支撑部件上的薄层中的附着力。一种解决方案是在显影区域施加高AC电压。AC电压激发色粉颗粒离开色粉支撑部件，使色粉颗粒能够“跳过”色粉支撑部件和感光体之间的间隙。跳过间隙的色粉颗粒附着在感光体表面上的潜像区域而形成显影图像。对于彩色或“同色深浅”显影，重复此过程并且将包含各个颜色的显影图像传送并存储在累加器中，直到完成全部所需颜色或色调，然后转印到衬底(例如，纸张、透明胶片等)。虽然此过程会高效率地产生彩色和同色深浅图像，但是添加的累加器增加了电子照相成像系统的复杂性和成本。
虽然先前已作出努力为利用单成分色粉和单个光电导体上图像累加(即没有累加器)进行多色成像而生产非接触式显影系统，但是这些努力并未得到有效地将彩色色粉颗粒高效率地显影到感光体上的系统。
而且，先前已作出努力为仅采用单成分色粉和DC偏压进行单色成像而生产非接触式显影系统。但是这些努力并未得到有效地将色粉颗粒高效率地显影到感光体上的系统。
发明概述本发明针对用于电子照相设备的非接触式单成分显影系统，该系统在显影过程中有效地减小色粉附着力的影响并且有助于色粉跳起，同时消除了对AC电压和累加器或一些其它中间传送部件的需要。在具体的创新方面，本发明的显影系统采用往往能减小附着力的单成分色粉，该附着力往往将色粉颗粒保持在色粉支撑部件上。更具体地说，根据本发明的色粉包括具有最好是优化表面散粒颗粒对色粉颗粒的表面覆盖度的重量浓度的大和小的表面散粒颗粒。涉及到按面积计算的表面覆盖度(表面覆盖度、表面覆盖度面积)，色粉表面的总面积＝πDr2以及硅石投影面积＝Dsi2，如
图14所示。本发明的表面散粒颗粒最好由硅石颗粒组成，但是也可由具有类似于硅石的物理特性的表面散粒组成，它们包括比如二氧化钛、聚合物微球体、聚合物珠粒、二氧化铈、硬脂酸锌、氧化铝等材料。在优选实施例中，大表面散粒颗粒对色粉颗粒的表面覆盖度在大约5％到50％的范围内，以及小表面散粒颗粒对色粉颗粒的表面覆盖度在大约50％到150％的范围内。
通过考虑色粉的平均直径、色粉的比重以及各个大和小表面散粒颗粒的平均直径和密度，结合各个大和小表面散粒颗粒的比重百分比，可以按照所要求的计算的表面散粒颗粒的表面面积覆盖度来制备色粉。例如，对于与平均直径为40nm且比重为2.2g/cm3的大表面散粒颗粒和平均直径为10nm且比重为2.2g/cm3的小表面散粒组合的比重为1.1g/cm3的12μ平均直径的色粉，5％到50％的大表面散粒的表面面积覆盖度对应于0.16％到1.6％的重量浓度，而50％到150％的小表面散粒的表面面积覆盖度对应于0.45％到1.35％的重量浓度。
在另一个创新方面，根据本发明的色粉在大的偏压范围上具有大约80％到99％的范围内的显影效率。
在优选实施例中，本发明的显影系统最好包括色粉支撑部件和与之在位置上隔开的感光体。工作时，最初让感光体均匀充电，然后将其曝光于表示所需图像的光图像下，从而使感光体的图像承载面的特定区域放电。使通过色粉支撑部件带到显影区域的色粉跳过色粉支撑部件和感光体之间的间隙到达潜像，从而形成显影图像。重要的是，从DC偏压产生的静电力足以克服色粉附着力而不必使用AC电压或其它使色粉离开色粉支撑部件的装置。这有利地使彩色或“同色深浅”图像能够显影而无需累加器或任何其它中间传送部件。
本发明的其它创新方面包括上述各个方面或其组合。
考虑以下结合附图的描述，本发明的其它方面和特征将变得显而易见。
附图简述图1是本发明的非接触式单成分显影系统的示意图；
图2是说明在显影过程中作用在色粉颗粒上的力的示意图；图3a是根据本发明的非接触式单成分彩色显影系统的示意图；图3b是图3a所示的非接触式单成分彩色显影系统的局部示意图；图4是硅石颗粒附着的色粉颗粒的平面图；图5是表示硅石一般颗粒粒度分布的曲线图；图6是表示平均直径为16μm的色粉颗粒的一般颗粒粒度分布的曲线图；图7是表示显影效率的曲线图；图8是表示显影效率的曲线图；图9是表示显影效率的曲线图；图10是表示显影效率的曲线图；图11是表示显影效率的曲线图；图12是表示显影效率的曲线图；图13是表示显影效率的曲线图；图14是说明计算的表面面积覆盖度的示意图。
优选实施例的详细描述本发明的非接触式单成分显影系统往往便于静电图像的高效显影以及恒定产生高质量输出图像。更具体地说，本发明的系统往往能够减小使色粉颗粒保持在色粉支撑部件上的附着力，使色粉颗粒能更容易和有效地从色粉支撑部件跳到如感光体之类的图像承载部件上。
具体参考附图，图1表示根据本发明与单成分色粉结合使用的非接触式或跳起式显影系统10。显影系统10最好包括如辊之类的色粉支撑部件20和如感光滚筒或带之类的感光体30。色粉辊20和感光体30以一定间隔关系对准以便在“显影区域”29形成间隙28。间隙28最好大约为150微米。计量棒24接触色粉辊20并且用于从色粉容器或供给源产生色粉薄层，并且对色粉支撑部件20上的色粉颗粒22充电。显影系统10还包括电耦合充电器单元32和发光二极管阵列(LED)34。
操作中，感光体30的表面31最初由充电器单元32均匀充电到最好在大约-700到-750V(DC)的范围内的电压。感光体30由只有暴露在光下才会导电(即允许电荷驱散)的材料构成。为了在感光体30上产生所需的静电潜像，光从LED阵列34照射到感光体30的表面31以便按一定模式驱散表面31上的电荷而形成对应于所需图像的潜像。在感光体30曝光后，感光体30上的潜像区域的电压降到大约-50V(DC)的范围。
色粉辊20最好加偏压到与图像承载面31上的无图像区域的电压大约相等的电压，但在图像区域和无图像区域的电压之间。色粉支撑部件的电压最好具有与无图像区域大约相等的值。
随着色粉辊20将色粉22携带到显影区域29，色粉辊上的偏压和感光体30的表面31上与静电潜像区域相关的电压差之间的差，大约是650V(DC)，最好向色粉颗粒22施加足够大小的力，使色粉颗粒22跳过色粉辊20和感光体30之间的间隙28并附着在感光体30的表面31上的静电潜像区域。表面31的无图像区域和大约为0V(DC)的色粉支撑部件之间的电压差往往不对色粉支撑部件20上的色粉颗粒施加力。
如图2所示，由于在显影过程中色粉颗粒22要跳过间隙28，作用在色粉颗粒22上的静电力或库仑力C必须足以克服使色粉颗粒附着在色粉辊20上的附着力A。否则，会影响显影效率并因而会影响图像质量。为了减小附着力的影响，传统方法往往包括采用AC电压或其它搅动色粉的装置。重要的是，如以下更详细讨论的，本发明的显影系统中的色粉有利地减小了在显影过程中附着力的影响而不用借助于AC电压或其它搅动色粉的装置。对于彩色或“同色深浅”显影这一点非常重要，因为它通过消除对累加器或其它中间传送装置的需要而使显影系统简化并减小尺寸，从而减少其成本。
参考图3a，图中表示根据本发明的非接触式单成分彩色或“同色深浅”显影系统100，它最好包括如图像承载带130之类的感光体、用于传送色粉的四个色粉支撑部件120y、120m、120c以及120k，色粉最好包括四种不同颜色颜料的色粉。色粉支撑部件120y、120m、120c以及120k最好分别将黄色色粉颗粒122y、品红色色粉颗粒122m、青色色粉颗粒122c以及黑色色粉颗粒122k传送到插入色粉支撑部件120y、120m、120c以及120k和图像承载带130之间的显影区域128y、128m、128c以及128k。显影系统100最好分别包括四个充电器单元132y、132m、132c以及132k以及沿带130分别位于相应的色粉支撑部件120y、120m、120c以及120k之前的四个LED阵列134y、134m、134c以及134k。由于包括四个充电器单元和四个LED阵列，本发明的显影系统100最好能够在感光体130单次通过中显影彩色图像。或者，显影系统100可包括两个充电器单元和两个LED阵列以便能够在感光体130两次通过中显影彩色图像，或者包括一个充电器单元和一个LED阵列以便能够在感光体130四次通过中显影彩色图像。
在操作中，如图3b中详细表示，第一充电器单元132y最初对图像承载带130均匀充电到大约-700V(DC)到-750V(DC)范围的电压。接着，第一LED阵列134y把光以对应于要求包含黄色的所需图像的部分的特殊模式照射到图像承载带130上。在带130曝光区域上的电荷消散而达到大约-50V(DC)的电压。在图像承载带130通过接近第一色粉支撑部件120y的第一显影区域128y后，在此，色粉沿着带的表面被引到潜在静电区域，第二充电器单元132m再次对带130均匀充电到大约-700V(DC)到-750V(DC)范围的电压。然后，第二LED阵列134m发出的光以特定模式照射到带130上，该模式对应于要求包含品红色的所需图像的部分，包括已经有黄色色粉淀积在其上的部分。带130上没有色粉淀积的部分上的电荷消散，使带130的那些部分具有大约-50V(DC)的电压；但是，带130上已有色粉淀积的部分上的电荷往往消散得较少，使带130那些部分具有大约-150V到-250V(DC)范围的电压。在图像承载带130经过第二显影区域128m后，第二显影区域128m临近第二色粉支撑部件120m，在此，将色粉沿带表面引到潜在静电区域，对其余两种颜色重复此过程(例如，青色和黑色)。
因为带130上已经有色粉淀积的部分上的电荷可能只消散到大约-150V到-250V(DC)的电压，加在色粉颗粒上的电压差使色粉颗粒跳过间隙128并附着在明显降到大约450V到600V(DC)的带130的这些部分上。电压差的降低导致作用在色粉颗粒上的静电力的降低。如下文更详细描述的，本发明在显影过程中有利地在宽范围的偏压上有效降低附着力的影响。结果，往往能提高显影效率和图像质量。
再次参考图2，附着力A往往分布在色粉颗粒22之间的接触面积上并与接触面积的大小直接成比例。因此，色粉颗粒22与色粉辊20之间的接触面积越大，附着力A的大小也越大。因此，本发明通过在色粉中改变或操纵表面散粒颗粒的组成以便减小色粉颗粒22和色粉支撑部件20之间的接触面积，从而有效减小附着力对显影过程的不利影响。如图4所示，大小表面散粒颗粒202和201与色粉颗粒混合，使得它们以本领域中已知的方式适当地分散在色粉颗粒200的表面上。表面散粒颗粒202、201提供与色粉支撑部件20之间小得多的接触点，从而减小色粉颗粒200和色粉支撑部件20之间的附着力。
如硅石之类的表面散粒颗粒在电子照相设备中一般与色粉颗粒混合以便提高色粉颗粒的流动性和耐久性。一般直径大约在20-50nm范围的大硅石颗粒202一般与色粉颗粒200混合。一般直径大约在6-12nm范围的小硅石颗粒201一般与色粉颗粒200混合，以便改善或提高色粉颗粒的流动性。图5中的曲线表示对于平均直径大约为10nm(曲线A)、30nm(曲线B)以及40nm(曲线C)的硅石颗粒的一般颗粒粒度分布。
在优选实施例中，本发明的单成分色粉最好将表面散粒颗粒与色粉颗粒混合。或者，诸如二氧化钛、聚合物微球体、聚合物珠粒、氧化铈、硬脂酸锌、氧化铝等表面散粒颗粒可与色粉颗粒相结合而产生同样的结果。硅石颗粒最好以本领域中已知的方式由火成二氧化硅形成并且同时包括大小在上述范围中的大和小硅石颗粒202、201。色粉颗粒200可以本领域中已知的多种组成形成。小硅石颗粒201和大硅石颗粒202相对于色粉颗粒200的重量浓度最好经过处理，以便优化硅石颗粒对色粉颗粒的表面面积覆盖度。参考图4，大硅石颗粒对色粉颗粒200的表面覆盖度适合在大约5％到50％的范围内，并且最好大约是15％，而小硅石颗粒201对色粉颗粒200的表面覆盖度适合在大约50％到150％的范围内，并且最好大约是100％的表面覆盖度。如图4所示，可实现大于100％的表面覆盖度，因为小硅石颗粒往往同时附着在色粉颗粒200和大硅石颗粒202上。
硅石重量浓度和色粉表面覆盖度之间的关系通过以下公式给出其中Cm＝nsiρsi(Dsi)3/ρT(DT)3以及Sc＝(1/π)nsi(Dsi)2/(DT)2其中表面覆盖度(Sc)定义为硅石颗粒的数量(nsi)乘以其投影面积(Dsi)2再除以球型色粉颗粒面积π(DT)2，如图14中所示。
公式Sc＝(Cm/π)(ρT/ρsi)(DT/Dsi)描述单个大小球型颗粒的表面覆盖度。考虑到非球型颗粒，粒度分布和结块，此公式应该在上述公式上增加从经验中获得的项β＝0.6来修正。因此，Sc＝(βCm/π)(ρT/ρsi)(DT/Dsi)Cm是所计算的硅石颗粒相对于色粉颗粒的重量浓度；Sc是硅石颗粒对色粉颗粒的表面覆盖度；nsi是硅石颗粒的平均数量；
ρsi是硅石的比重(2.2)；Dsi是硅石颗粒的平均直径(nm)；ρT是色粉颗粒的比重(1.1)；以及DT是色粉颗粒的平均直径(μm)。
下列表1提供了小和大硅石颗粒的硅石浓度和表面覆盖度的相应值。
表1进行以下实验，评估在宽的偏压范围上色粉的显影效率。平均直径粒度为16μm的色粉(色粉的典型平均直径颗粒粒度分布参见图6)与硅石颗粒相结合并且受到从大约100V(DC)到800V(DC)的范围的偏压。按照下表2中给出的参数进行该实验。
表2表2中描述的硅石粒度对应于具有粒度分布(见图5)的硅石颗粒的平均直径。
图7到图13是表示为百分比的显影效率，它是以随着显影过程进行、转移到感光体表面的显影色粉单位面积上的质量与显影色粉和色粉支撑部件上携带的剩余色粉在单位面积上的组合质量的比率来度量的。或者，显影效率可以转移到感光体表面的显影色粉单位面积上的质量与显影前色粉支撑部件上携带的色粉单位面积上的质量之比来度量。
按照以上讨论的指定间隙，色粉支撑部件和图像承载面相互隔开地放置并且以相同的速度旋转。在施加指定电压后，通过从感光体表面抽取一部分色粉层，对所抽取的色粉称重并且测量抽取面积，然后用所抽取色粉的重量除以抽取面积，从而测量跳过间隙并附着在图像承载面的色粉颗粒的单位面积上的质量，遗留在色粉支撑部件上的剩余色粉的单位面积上的质量以相同的方法测量。显影效率最好按以下公式计算 对各种受测试的色粉在各种指定偏压下执行这些步骤。
实验1到实验6的结果(如表2所示)作为曲线相应地表示在图7到图12中，其中绘制显影效率百分比对于所施加偏压的曲线。如图8所示，在宽的偏压范围上，按大硅石重量计的0.4％的硅石浓度和按小硅石重量计的0.7％的硅石浓度产生最高和最恒定的显影效率。更具体地说，此浓度产生超过90％的显影效率，也就是说，当色粉支撑部件经受400V(DC)到800V(DC)的偏压时，显影效率在大约90％到98％的范围内。
如图7、9和10所示，当按小硅石颗粒的重量计的浓度从按重量计的0.7％增加或减小时，显影效率往往会降低。类似地，如图11和12所示，当按大硅石颗粒的重量计的浓度从按重量计的0.4％增加或减小时，显影效率也往往会降低。
本领域的技术人员应当理解，通过按照在此提供的关于表面散粒颗粒的表面覆盖率值，对于各种硅石和色粉粒度(例如色粉颗粒在大约6μm到24μm的范围内)可确定表面散粒颗粒的最佳重量浓度。例如，对于具有12μm平均直径粒度的色粉以及具有10nm和40nm平均直径粒度的小和大硅石，计算的硅石浓度分别为0.5％和0.9％。
按照上述程序测试包含具有12μm平均直径粒度的色粉颗粒的色粉，以便确定其在宽偏压范围上的显影效率。当对于色粉以及75°F和52％RH的环境条件、通过Torrey Pines Research的抽吸器测量时，测试参数包括分别具有10nm和40nm.平均直径的小和大硅石颗粒、5.86μC/g的平均Q/M值。如图13所示，此色粉的显影效率相当于图9所示的具有16μm平均直径粒度的色粉的显影效率。在大约400V(DC)到800V(DC)的施加偏压范围上，显影效率在接近90％到接近99％的范围变化。如以上指出的，这些效率往往会确保在宽的偏压范围上恒定产生高质量图像。
虽然本发明容易进行各种修改和变化，在图中表示了并且在本文中详细描述了具体实例。但是，应当理解，本发明不限于所公开的具体形式，相反，本发明意在包含在本发明所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和变化。
权利要求
1.一种非接触式单成分显影系统，它包括感光体，能够使静电潜像记录于其上；以及色粉支撑部件，它与所述感光体相对设置并且其间有定义显影区域的间隙，所述色粉支撑部件适合于将其上的色粉带到所述显影区域；其中所述色粉包括与大和小的表面散粒颗粒混合的色粉，小的表面散粒颗粒的重量浓度产生大约50％到150％的范围内的色粉第一表面覆盖度，而大的表面散粒颗粒的重量浓度产生大约5％到50％的范围内的色粉第二表面覆盖度。
2.如权利要求1所述的显影系统，其特征在于，所述色粉具有按体积计、大约5μm到20μm的范围内的平均直径粒度。
3.如权利要求1所述的显影系统，其特征在于，所述表面散粒由硅石组成。
4.如权利要求3所述的显影系统，其特征在于，所述色粉包括平均直径粒度在大约6rm到14nm的范围内的小硅石。
5.如权利要求3所述的显影系统，其特征在于，所述色粉包括平均直径粒度在大约20nm到60nm的范围内的大硅石。
6.如权利要求1所述的显影系统，其特征在于，所述图像承载部件和所述色粉支撑部件之间的间隙为75μm到250μm。
7.如权利要求1所述的显影系统，其特征在于，它包括与所述感光体电耦合的电荷源和光源。
8.如权利要求7所述的显影系统，其特征在于，所述电荷源包括多个充电器单元而所述光源包括多个发光二极管(LED)，以及所述色粉支撑部件包括多个色粉支撑件。
9.如权利要求8所述的显影系统，其特征在于，所述多个充电器单元包括四个LED阵列，所述多个充电器单元包括四个充电器单元，以及所述多个色粉支撑部件包括四个色粉支撑部件。
10.如权利要求9所述的显影系统，其特征在于，所述色粉包括第一、第二、第三和第四种颜色的色粉。
11.一种包括如权利要求1所述的显影系统的电子照相设备，所述显影系统适合于在不加AC电压的条件下跳起式显影图像。
12.一种包括如权利要求1所述的多个显影系统的电子照相设备，所述多个显影系统中的每一个都适合于显影不同颜色色粉的图像。
13.如权利要求12所述的电子照相设备，其特征在于，它适合于在不加AC电压的条件下跳起式显影图像。
14.如权利要求13所述的电子照相设备，其特征在于，它适合于显影包括各个不同颜色色粉图像的组合颜色图像，而不用将各个显影颜色色粉图像转移到累加器中。
15.如权利要求14所述的电子照相设备，其特征在于，它适合于在感光体的单个循环中在感光体上显影出显影图像，所述显影图像包括四种不同颜色的色粉。
16.如权利要求1所述的显影系统，其特征在于，从所述色粉支撑部件到所述图像承载部件上形成的潜像的色粉转移效率大于80％。
17.一种单成分色粉，它包括多个色粉颗粒；第一种的多个表面散粒颗粒；以及第二种的多个表面散粒颗粒；其中所述第一和第二种的多个表面散粒颗粒与所述多个色粉颗粒按照如下浓度混合，其中第一种的多个表面散粒颗粒的浓度产生大约50％到150％的范围内的所述多个色粉颗粒的第一表面覆盖度，而第二种的多个表面散粒颗粒的浓度产生大约5％到50％的范围内的所述多个色粉颗粒的第二表面覆盖度。
18.如权利要求17所述的色粉，其特征在于，所述散粒颗粒由硅石组成。
19.如权利要求17所述的色粉，其特征在于，所述多个色粉颗粒具有按体积计、在大约5μm到20μm的范围内的平均直径大小。
20.如权利要求18所述的显影系统，其特征在于，所述第一种的多个硅石颗粒具有在大约6nm到14nm的范围内的平均直径大小。
21.如权利要求20所述的显影系统，其特征在于，所述第二种的多个硅石颗粒具有在大约20nm到60nm的范围内的平均直径粒度。
22.一种非接触式单遍电子照相成像方法，它包括以下步骤在感光体的表面上产生潜像，以及通过在不加AC电压的条件下、迫使色粉颗粒越过色粉支撑部件和所述感光体之间的间隙，从而使所述潜像显影成显影图像。
23.如权利要求22所述的成像方法，其特征在于，所述色粉包括多个色粉颗粒；第一种的多个表面散粒颗粒；以及第二种的多个表面散粒颗粒；其中所述第一和第二种的多个表面散粒颗粒与所述多个色粉颗粒按照如下浓度混合，其中第一种的多个表面散粒颗粒的浓度产生大约50％到150％的范围内的所述多个色粉颗粒的第一表面覆盖度，并且第二种的多个表面散粒颗粒的浓度产生大约5％到50％的范围内的所述多个色粉颗粒的第二表面覆盖度。
24.如权利要求23所述的成像方法，其特征在于，所述表面散粒颗粒由硅石组成。
25.如权利要求24所述的成像方法，其特征在于，所述多个色粉颗粒具有在大约5μm到20μm的范围内的平均直径大小。
26.如权利要求25所述的成像方法，其特征在于，所述第一种的多个硅石颗粒具有在大约6nm到14nm的范围内的平均直径大小。
27.如权利要求26所述的成像方法，其特征在于，所述第二种的多个硅石颗粒具有在大约20nm到60nm的范围内的平均直径粒度。
全文摘要
本发明针对电子照相设备的非接触式单成分显影系统，该系统有效地减小附着力对显影过程的影响。本发明的显影系统采用往往能减小使色粉颗粒(200)保持在色粉支撑部件上的附着力的单成分色粉(200)。最好是，色粉(200)与大小硅石颗粒(201，202)混合，所述硅石颗粒具有产生大小硅石颗粒(201，202)对色粉颗粒(200)的最佳表面覆盖度的重量浓度，从而便于减小使色粉颗粒(200)保持在色粉支撑部件上的附着力。
文档编号G03G15/06GK1511274SQ02803244
公开日2004年7月7日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年8月21日
发明者L·B·施恩, L B 施恩, 5, G·加利福德, T·穆 申请人:埃塔斯技术有限公司