DE69518930T2 - Tonerdruckbilderzeugungssystem - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Tonerabbildungssysteme des Typs, bei dem ein latentes Ladungsbild mit einem pigmentierten Toner entwickelt wird und das entwickelte Bild auf ein Empfangselement zum Erzeugen eines gedruckten Bildes übertragen wird. Es gibt viele Techniken zum Bilden eines latenten Ladungsbilds, einschließlich optischer Bildprojektion auf ein geladenes photoelektrisches Band oder eine solche Trommel; Laden eines dielektrischen Elements mit einer elektrostatischen Stiftbaugruppe oder einem Elektronenstrahl; und Ladungsprojektion von einer sogenannten ionographischen Druckpatrone oder von einem Plasmagenerator. Nachdem ein latentes Bild gebildet ist, kann das latente Bild vor Entwicklung zu einem Zwischenelement übertragen werden, oder es kann auf dem selben Element wie demjenigen entwickelt werden, auf dem es gebildet wird, wobei verschiedene Systemaufbauten zur Widmung verschiedener Prozeßprioritäten so wie Kosten, Geschwindigkeit, bevorzugter Typ von Tönungssystem oder vorgesehenes Empfangssubstrat entwickelt worden sind. Der Toner kann von einem durch Flüssigkeit getragenen oder trockenen Pulvertyp sein; wobei das erste Umweltbedenken von Lösemittel- oder Trägerverwaltung auferlegt, insbesondere beim Drucken auf sogenannten einfachen, oder Feinpapieren, während die letzteren Entwickler Bedenken hinsichtlich Staubkontrolle aufwerfen, insbesondere wenn die Tonerteilchengröße feiner werden. In jedem Fall muß man sich allgemein auch Probleme bezüglich Löschung oder Reinigung von Zwischenbildträgern, und Fixieren des Endbilds widmen.
• Allgemein benötigen die getönten Bilder, nachdem sie auf ein Empfangselement übertragen worden sind, Erhitzen zum Trocknen oder Fixieren des Endbilds, sie können jedoch keine Wärme in einem früheren Stadium überstehen, wenn der Toner als ein Staub oder eine flüssige Suspension auf das latente Ladungsbild aufgebracht wird. Außerdem ist in einem noch früheren Stadium Wärme allgemein auch auf oder nahe jeglichen photoelektrischen Elementen zu vermeiden. Sogar für Ladungsaufbringungssysteme, bei denen eine elektrische Ladung auf ein Dielektrikum anstatt auf ein photoelektrisches Element aufgebracht wird, kann Wärme die dielektrischen Eigenschaften jeglicher gewöhnlicher bildhaltender Materialien beeinträchtigen.
• Daher zieht ein vollständiges Abbildungssystem oft Nutzen aus ein- oder mehrmaliger Übertragung des Bildes vor dem abschließenden Druckschritt und kann dies erfordern, um die Chemikalien, Temperaturen oder andere Umgebung einer Station des Abbildungsprozesses von denen anderer zu isolieren.
• Ein anderer Faktor, der bei Abbildungssystemen des vorhergehenden Typs Bekanntheit erlangt hat, ist der Wärmetransfer oder die Wärmeübertragung eines Tonerbilds auf ein Endempfangssubstrat. Bei verschiedenen Konstruktionen des Standes der Technik wird das getönte Bild in einem geschmolzenen oder verschmolzenen Zustand gleichzeitig zu dem Endelement übertragen und an demselben befestigt. Es kann weiter erforderlich sein, die genaue Temperatur zu steuern, um die relative Klebrigkeit oder die Selbsthaftung des erhitzten Toners zu variieren, zum Beispiel, um optimale Übertragung des Bildes zwischen Rollen zu erreichen, oder beim Übertragen auf ein Endaufzeichnungsblatt, um Bildremissionseigenschaften zu optimieren. Das US-Patent 3,554,836 von Steindorf beschreibt einen in solchen Mehrfachübertragungssystemen verwendbaren allgemeinen Ansatz. Gemäß diesem Patent können Zwischenrollen aus einem Silikonelastomer gebildet werden, und Übertragung wird effizient zwischen zwei aufeinanderfolgenden bildtragenden Elementen durch Steuern der Temperatur der gefärbten Bildschicht eingerichtet, so daß sie sich in einem gummiartigen Zustand befindet, während die Elemente Oberflächen aus Silikonelastomer zunehmender Energie haben, um relativ wirksame Übertragung des erhitzten Bildmaterials von einer Rolle zur nächsten zu ermöglichen.
• Nichtsdestoweniger bleibt die Übertragung eines Tonerbilds von einem Element zu einem anderen stark abhängig von dem verwendeten Material, wie auch, unter anderen Variablen, von den Eigenschaften des Übertragungsspalts und der Kontaktgeschwindigkeit. Wenn eine oder mehrere dieser Variablen basierend auf unabhängigen Erwägungen ausgewählt werden, kann es sich als schwierig herausstellen, dann eine geeignete Übertragungsgeschwindigkeit oder -Wirksamkeit mit der ausgewählten Variablen zu erreichen.
• Es wäre deshalb zweckdienlich, ein Drucksystem zu erhalten, bei dem Übertragung eines getöntes Bildes schnell und wirksam durchgeführt wird.
• Es wäre auch zweckdienlich, ein solches Drucksystem zu erreichen, bei dem mehrfach getönte Bilder nacheinander zum Bilden eines mehrfarbigen Bildes übertragen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung schafft deshalb ein Drucksystem gemäß der anliegenden Patentansprüche.
• Diese und andere zweckdienliche Eigenschaften werden in einem Drucksystem erhalten, bei dem ein erstes Endlosbildelement, so wie ein Band oder eine Trommel, sich an einer Abbildungsstation vorbei bewegt, wo es ein trockenes Tonerbild empfängt, und ein zweites Endlosabbildungselement an einem Spalt berührt, um das Tonerbild auf das zweite Element zu übertragen. Das erste und zweite Abbildungselement werden jeweils isotherm, mit wenigstens dem zweiten Element bei einer Temperatur T2 betrieben, die höher als die Erweichungstemperatur des Toners ist, welche wiederum vorzugsweise über der Temperatur T1 des ersten Elements liegt.
• Das erste Element hat eine niedrigere Oberflächenenergie, welche vorzugsweise unter etwa 20 Dyn pro Zentimeter (20 · 10&supmin;&sup5; N/cm) beträgt, und weist eine harte, abriebfeste und glatte Oberfläche auf, während das zweite Element weicher ist und eine allgemein höhere Oberflächenenergie aufweist. Wenn das getönte Bild in den durch das erste und zweite Element gebildeten Spalt eintritt, erfolgt im wesentlichen vollständige Bildübertragung zu dem zweiten Element. Das zweite Element hat weiter eine geringere Oberflächenenergie als diejenige des Endabbildungssubstrats, z. B. unter derjenigen von Papier, während seine Dicke und Kompressionsfähigkeit so gewählt werden, daß sie Entsprechung zu diesem Substrat zulassen. Das zweite Element bildet einen zweiten Spalt an einer Druckrolle, wo das von ihm empfangene Bild durch Berührung von dem Element auf das Substrat übertragen wird.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Drucksystems trägt eine Ladungsauftragspatrone eine Gruppe von Ladungspunkten auf dem ersten Element zum Bilden des latenten Ladungsbilds auf, und das erste Element umfaßt eine dielektrische Oberflächenschicht, die an jedem Punkt auf einen Spannungspegel lädt, der wirksam zum Anziehen und Halten von Tonerpartikeln ist. Zum Beispiel liefert eine fünf Mikrometer dicke Oberflächenschicht aus Teflon PFA eine geeignete Kapazität und niedrige Oberflächenenergie. Nachdem das latente Bild aufgebracht ist, wird dann das erste Element mit einem Toner so wie einem magnetischen Monokomponententoner entwickelt, der vorzugsweise frei von Wachsen oder Öl mit harten einzelnen Tonerteilchen formuliert wird, die aus einem Polymer mit einer Erweichungstemperatur etwas unter der Betriebstemperatur T2 des zweiten Abbildungselements gebildet sind. Ein geeigneter Toner ist ein Coates RP 1442 mit einer Teilchengröße von 12-15 Mikrometern und einer Klebrigkeitstemperatur von 90-110ºC. Das zweite Abbildungselement kann ein Band mit einem gewobenen Nomex- Rumpf und einem 0,5-2,0 mm Überzug des Silikongummielastomers sein, das bei einer Temperatur von 105-120ºC arbeitet. Das Silikongummi hat einen Härtegrad Shore A von ungefähr 50 bis 80 Durometer, und hält Zerstörung oder Änderungen hinsichtlich seines physikalischen Zustands stand, solange damit unter ungefähr 200ºC gearbeitet wird.
• Mit diesen beiden Elementen wird, wenn das erste und zweite Band jeweils isotherm bei 60-65ºC bzw. 115-120ºC betrieben werden, vollständige Bildübertragung bei Geschwindigkeiten von 15-30 Zoll pro Sekunde (381-762 mm/s) erreicht. Die Dicke und der weiche Durometer des zweiten Elements vergrößern die Spaltbreite und erlauben es dem zweiten Element, etwas verformt zu werden, so daß es dem eintretenden Bild entspricht, wodurch Verweilzeit in dem Spalt verlängert und die Fläche in Berührung mit dem getönten Bild vergrößert wird. Das erste Element kann durch ein einfaches Gebläse bei einer Temperatur unter der Toneraggregationstemperatur gehalten werden, während eine Heizeinrichtung in dem zweiten Element es bei der Temperatur T2 hält. Im wesentlichen tritt nur eine kleine Wärmemenge durch den ersten Spalt in das erste Element ein, daher arbeitet jedes Element isotherm und geringer äußerer Wärmeverlust erfolgt zwischen den Elementen.
• Ein Enddruck oder Endbild wird durch Übertragen des durch das zweite Element getragenen Tonerbilds auf ein durch einen zweiten Spalt hindurchlaufendes Blatt oder Substrat erzeugt. Das Substrat ist vorzugsweise auf eine Temperatur vorgeheizt, die nicht wesentlich unter der Tonererweichungstemperatur liegt, so daß, wenn es durch den zweiten Spalt hindurchläuft, Kontakt mit dem Toner vollständig ist und der erhitzte Toner auf das Substrat gesogen und von dem zweiten Abbildungselement getrennt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung und den hier enthaltenen Ansprüchen betrachtet zusammen mit mehreren darstellenden Zeichnungen verstanden werden, in denen:
• Fig. 1 Schritte eine Grundausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 2 eine schematische Ansicht im Schnitt eines die Erfindung verwirklichenden Einfarbendruckers ist;
• Fig. 3 einen Ausschnitt der Ausführungsform von Fig. I zeigt;
• Fig. 4 die Temperatur innerhalb des Druckers der Fig. 2 und 3 zeigt;
• Fig. 5 eine Mehrfarbenausführungsform zeigt; und
• Fig. 5A eine andere Mehrfarbenausführungsform zeigt.
Ausführliche Beschreibung
• Fig. 1 stellt ein Druckverfahren 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, das grundlegend auf die wirksame Übertragung eines trockenen Tonerbilds in einem elektrographischen Drucker gerichtet ist. Das Verfahren umfaßt einen Schritt 2 zum Bilden eines getönten Bilds auf einem ersten Element, das eine harte Oberfläche niedriger Energie hat, und einen Schritt 4 zum Erhitzen des getönten Bilds während einer kurzen Verweilzeit, wenn es unter Druck durch einen Kontaktspalt hindurchläuft, der zwischen dem ersten Element und einem zweiten Element mit einer höheren Oberflächenenergie und einer weicheren Massehärteeigenschaft ausgebildet ist.
• Das Verfahren umfaßt weiter den Schritt 6 zum Trennen des getönten Bildes auf das zweite Element durch Rotieren des zweiten Elements durch den Spalt, wobei sowohl das erste als auch das zweite Element isotherm gehalten werden und mindestens das zweite Element sich bei einer Temperatur über der Temperatur des Bilds im Spalt befindet. Vorteilhafterweise ist das zweite Element eingerichtet, um einen zweiten Spalt zu bilden, durch den in einem zweiten Übertragungsschritt 8 ein Empfangssubstrat synchron mit dem Durchgang des erhitzten Bildes hindurchgeführt wird, das an dem ersten Spalt empfangen wurde. Das Substrat ist vorzugsweise auf eine Temperatur etwas unter derjenigen des zweiten Elements vorerhitzt, so daß, wenn das Substrat durch einen zwischen dem zweiten Element und einem Druckelement ausgebildeten Spalt hindurchläuft, das getönte Bild den Endschritt von Anhaften an dem Substrat und Abkühlen durchmacht.
• Auf diese Weise nimmt ein zweites oder Zwischenelement das getönte Bild auf, wenn es die Tonertemperatur erhöht, und gibt es dann an ein Empfangselement frei, wenn es die Tonertemperatur absenkt, wobei jeder der beiden Temperaturübergänge beinahe sofort während der Verweilzeit der Übertragungsspalte auftritt, während das zweite Element isotherm in der Mitte zwischen dem ersten und letzten Abbildungsschritt läuft.
• Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht eines vollständigen Druckers 100 zum Ausführen von Einfarbendruck eines Bilds gemäß dem Verfahren von Fig. 1.
• In dieser Ausführungsform empfängt ein erstes Abbildungselement 102, gezeigt als ein Band, ein Bild und trägt es zu einem Spalt 110, der zwischen dem Element 102 und dem auch ein Band darstellenden zweiten Element 104 ausgebildet ist. An dem Spalt 110 wird das entwickelte Tonerbild zu dem zweiten Element 104 übertragen, das es dann zu einem zwischen dem Element 104 und einer Druckrolle 105 ausgebildeten zweiten Spalt 120 herum trägt. Dort wird das Bild ein zweites Mal übertragen, von dem Zwischenband 104 zu einem Aufzeichnungssubstrat 107, so wie einem Blatt Papier. Antriebsrollen 108, 109 bewegen sich synchron und begrenzen einen genauen Spalt, wo sich die entsprechenden Bänder 102, 104 berühren. In ähnlicher Weise kann die Druckrolle 105 synchron mit der Rolle 109 betrieben werden. Es wird verstanden werden, daß eine oder mehrere der Rollen eine Mitläuferrolle sein können, die durch Kontakt mit dem gegenüberliegenden Blatt, Band oder Trommel angetrieben wird.
• In der Ausführungsform von Fig. 2 stellt das erste Abbildungselement 102 ein dünnes hartes Band mit einer sehr niedrigen Oberflächenenergie dar, bei dem wenigstens ein dünner Oberflächenteil aus dielektrischem Material zum Empfangen und Halten eines latenten Ladungsbilds ausgebildet ist. Geeignete Bandkonstruktionen zum Bilden eines solchen Abbildungselements sind in den gemeinsam besessenen US-Patenten Nr. 5,103,263 und Nr. 5,012,291 gezeigt. Das Band bewegt sich gegen den Uhrzeigersinn vorbei an einem vorgespannten Koronastab 112, der einen einheitlichen oder Nulladungspegel auf der Bandoberfläche herstellt, und bewegt sich weiter an einer Ladungsauftragsdruckpatrone 114 vorbei. Die Ladungsauftragsdruckpatrone ist eine gesteuerte Gruppe so konfigurierter Elektroden, um lokalisierte Glimmentladung zu erzeugen und geladene Teilchen von punktartigen Bereichen der Gruppe, wie zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,160,257 und 4,992,807 und anderen gezeigt, auf das Abbildungsband 102 zu richten. Ein Abbildungsmodul 116 liefert elektronische Steuersignale an Elektroden der Druckpatrone 114 in einer zweckdienlichen Reihenfolge, um das gewünschte latente Bild von Text, graphischen Abbildungen oder dergleichen aufzubringen.
• Nachdem das latente Bild auf das erste Abbildungselement 102 aufgebracht worden ist, bewegt es sich an einem Tonerauftragsgerät 124 vorbei, in dem eine Magnetbürste 122 eine dünne Schicht von Einkomponenten-Magnettoner in die Nähe der Oberfläche des Bands bringt, wodurch selektive Haftung des Toners an den geladenen Bereichen des latenten Bildes verursacht wird. Der Toner besteht aus harten Polymerteilchen, wachsfrei, und das Element 102 ist sowohl glatt als auch hart, so daß Haftung des Toners völlig auf der Anziehung durch das latente Ladungsbild beruht. Auf diese Weise wird das latente Bild getönt. Obwohl nicht dargestellt, betätigt ein temperaturgesteuerter Schalter vorzugsweise ein Gebläse zum Halten eines Stroms von Raumluft über der Innenfläche des Bands oder über einer das Band berührenden Antriebsrolle, um ihre Temperatur unter einer bestimmten Grenzen zu halten, z. B. etwa 65-75ºC.
• Einem grundlegenden Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge, werden beide Bänder 102 und 104 isotherm betrieben, das heißt, jedes hat eine konstante Temperatur, und im wesentlichen vollständige Übertragung des getönten Bildes wird aufgrund der Oberflächeneigenschaften der Bänder erreicht. Um dies zu erreichen, hat das erste Element 102 eine nicht elastomere harte Beschichtung aus Teflon PFA mit einer Härte von 65-70 Shore D, einer Oberflächenenergie unter etwas 20 Dyn/cm und einer Dicke von ungefähr 5 Mikrometern, was zu einer Oberflächenkapazität von ungefähr 400 pf/cm² führt. Dieses Material ermöglicht es der Ladungsauftragspatrone, die Oberflächenpunkte auf ein Potential von 50-250 Volt aufzuladen, und hält hervorragende Ladungspunktauflösung aufrecht. Der Anmelder hat auch erfolgreich ein hartes nichtleitendes Silikongummi mit etwas höherer Oberflächenenergie verwendet. Geeignete Ladungsauftragspatronen für latente Bildausbildung werden zum Beispiel von Delphax Systems aus Mississauga, Ontario, Kanada verkauft. Das darunterliegende Band kann ein leitender Kapton-Polyimidfilm, ein Edelstahlband, oder eine andere dünne durchgehende Bahn oder Oberfläche mit einer leitenden Rückebene darstellen. Das bildempfangende Band 104 ist im Gegensatz hierzu viel dicker und hat völlig andere Oberflächeneigenschaften. Ein repräsentatives Band 104 wird mit einem gewobenen Nomex-Körper aufgebaut und mit einer ¹/&sub2; - 2 mm dicken Schicht aus einem Silikon- oder Fluorsilikongummi mit einer Oberflächenenergie von etwa 22- 35 Dyn/cm und einer Härte in dem Bereich von ungefähr 50-80 Shore A beschichtet. Die Materialien werden auch so ausgewählt, daß Betrieb bei Temperaturen bis zu 200ºC einen geringen Effekt auf ihre elastomeren, mechanischen und Freigabeeigenschaften hat, und so daß sie ausreichend stabil sind, um das Ausmaß von an den beiden Übertragungsspalten 110, 120 auftretenden Verformungsenergien auszuhalten.
• Allgemein, wo der Enddruck auf einfachem Papier sein soll, werden die Dicke der Silikon- oder Fluorsilikongummischicht und ihre Härte ausgewählt, um ein hohes Ausmaß von Anpassungsfähigkeit an das Empfangssubstrat sicherzustellen, wie es in den vorgenannten US-Patenten 5,012,291 und 5,103,263 beschrieben ist, während dünnere und/oder weniger kompressible Ausbildungen zum Drucken auf oder Übertragen auf glattere Substrate verwendet werden können. Die Dicke beeinflußt auch die effektive Verweilzeit im Spalt 110. Die Spalte 110 und 120 werden nur mit einem mäßigen Spaltdruck, ungefähr fünfundzwanzig Pfund pro Längenzoll (4,45 kg/cm) ausgebildet, und Verweilzeiten bei Papierzuführgeschwindigkeiten von 15-30 Zoll pro Sekunde (381-762 mm/s) liegen in dem Bereich von 2-20 Millisekunden oder mehr. Da die Wärmezeitkonstante eines Tonerteilchens von 10 Mikron sehr kurz ist, sind diese wirksam, um das Tonerbild vollständig an dem Spalt 110 zu erhitzen.
• Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des getönten Bilds 200, das durch den Spalt 110 zwischen den Bändern 102 und 104 hindurchläuft. Wie gezeigt ist, hat das Band 104 einen undehnbaren und starken Träger 104a beschichtet mit der Silikonelastomer-Oberflächenschicht 104b, während das Band 102 eine viel dünnere dielektrische Oberflächenbeschichtung 102b auf einem Träger aufweist, der aus einem leitenden Kapton-Film 102a gebildet ist, welche beide sehr dünn und hart sind.
• Die Tonerteilchen, die aus Eisenoxid, Lampenruß und thermoplastischem Harz oder schmelzbarem Polymer gebildet sein können, haben eine mittlere Teilchengröße mit einem Durchmesser von zehn bis fünfzehn Mikrometern und sind ohne Wachse oder Niedertemperatur-Bindemittel zusammengesetzt. Die Bänder 102 und 104 werden jeweils auf einer festen Temperatur gehalten, wobei mindestens das Band 104 eine Temperatur über der Tonerschmelztemperatur hat. Zum Aufführen eines Beispiels, wird der Coates RP 1442 Toner bei 90-110ºC klebrig und schmilzt bei 105ºC. Das Band 102 kann bei einer relativ niedrigen Temperatur unter etwa 65ºC gehalten werden, während das laufende Band 104 bei 120ºC dem Tonerbild 200 erlaubt, eine Beharrungstemperatur über seinem Erweichungszustand zu erreichen.
• Wie weiter in Fig. 3 gezeigt ist, benetzen die Tonerteilchen in diesem Zustand nicht das erste Abbildungsband 102 und sie stellen eine relativ kleine Kontaktfläche zu dem Band dar, wohingegen die Seite des das heißere und weichere Zwischen- oder Übertragungsband 104 berührenden Tonerbilds dieses Band benetzt und in die Bandoberfläche drückt und derselben über eine relativ größere Fläche entspricht. Da die Anziehungskräfte zwischen dem Tonerbild und einem Band allgemein sowohl proportional zu der Kontaktfläche als auch der Oberflächenenergie sein werden, verursacht der Erhitzungskontakt vorzugsweise, daß das Tonerbild an dem zweiten Band 104 anhaftet, und Bildübertragung wird mit 100%-tiger Effizienz durchgeführt. In verwandten Versuchen, die mit einem anderen Toner bei Raumtemperatur durchgeführt wurden, betrug die Übertragungseffizienz nur ungefähr 80% ohne den Vorzug der Spalterweichung von pulverförmigem Toner. Wie weiter in Fig. 3 gezeigt ist, verschmelzen die das getönte Bild 200 bildenden Tonerteilchen 201a, 201b, 201c mit benachbarten Teilchen unter dem Einfluß von Temperatur und Druck in dem Spalt. Dies macht das übertragene Bild sehr stabil.
• Wenn nun mit einer Beschreibung der Fig. 2 und 3 fortgefahren wird, trägt das Band 104 danach das empfangene und erhitzte Tonerbild zu dem zweiten Spalt 120, wo es "überschmolzen" oder gleichzeitig zu einem Empfangsblatt übertragen und auf es geschmolzen wird, wie in den vorgenannten US-Patenten 5,012,291 und 5,103,263 beschrieben ist. Die Oberflächenenergie des Bands 104 ist geringer als diejenige des Blatts 107 (Fig. 2) und dies fördert, zusammen mit dem "Aufsaugen" des thermoplastischen Toners in das Blatt, die vollständige Übertragung des getönten Bilds von dem Band 104 auf das Endaufzeichnungsblatt.
• Wie oben festgestellt, arbeitet das Band 104 über der Erweichungs- und Schmelztemperatur des Toners. Ein Blatt 107, das zum Beispiel ein Blatt von einem Papiervorrat von 20 Pfund sein kann, wird deshalb durch fließfähigen Toner an dem Spalt berührt. Zum Sicherstellen, daß der Kontakt und das Aufsaugen relativ vollständig ist und nicht durch übermäßig schnelles Kühlen unterbrochen wird, wird das Blatt 107 vorzugsweise auf eine Temperatur etwas unter dem Tonererweichungspunkt vorgeheizt, z. B. ungefähr 85ºC für den beschriebenen Toner, so daß seine Oberfläche sofort eine Temperatur in dem Spalt erreicht, die dem Toner 200 ermöglicht, in die strukturierte Oberfläche zu fließen oder eingesaugt zu werden, obwohl der Toner selbst einen Temperaturabfall aufgrund der Berührung des Papiers durchmacht. Allgemein beträgt die Oberflächenenergie des Blatts 107 über vierzig Dyn/cm, daher wird der Toner vorzugsweise durch das Empfangssubstrat gehalten, und er wird sich von dem Band 104 lösen und auf das Empfangsblatt übertragen werden, wenn es sich durch den Spalt bewegt.
• In der beschriebenen Ausführungsform sind beide der tonertragenden Elemente 102, 104 als Bänder gezeigt, in anderen Ausführungsformen kann jedoch ein oder beide Elemente eine Trommel oder sogar eine flache Platte darstellen. Ein Band ist für das erste Element 102 bevorzugt, weil der Kontaktbereich mit dem heißen Spalt 110 auf diese Weise bequemer sowohl von der Patrone 114 als auch dem Tonerbehälter 124 entfernt positioniert werden kann. Weiter kann ein dielektrisches Abbildungsband sehr dünn ausgeführt werden, wodurch die Menge von Wärmeenergie begrenzt wird, die es dem zweiten Übertragungselement entnimmt, und erlaubt wird, daß es einen niedrigen Wärmezustand ohne Verwendung jeglicher anderer Kühlung außer einem kleinen Gebläse erreicht, wenn es sich um seinen Weg zwischen den Abbildungsstationen bewegt.
• Allgemein wird die Verweilzeit in dem Spalt von der Bandgeschwindigkeit, die bei den Prototypmaschinen 15-30 Zoll pro Sekunde (381-762 mm/s) beträgt, der Dicke und Kompression der elastomeren Schicht, und von den Durchmessern und Abständen der Trommeln oder Druckrollen abhängen, die jeden Übertragungsspalt begrenzen. Diese Verweilzeiten können trotz der Tatsache sehr kurz sein, daß Bildschmelzen durchgeführt wird, da die Übertragungsvorgänge völlig von Oberfläche-zu-Oberfläche- Eigenschaften und der Temperatur der dünnen Tonerschicht abhängen. Die charakteristische Wärmerelaxationszeit für die Tonerteilchen oder das Bild liegt unter einer Millisekunde, daher erreicht der Toner in den oben beschriebenen Ausführungen schnell eine Temperatur oder ändert seinen Zustand im Spalt. Allgemein wird bei den hier beschriebenen Prozeßgeschwindigkeiten angenommen, daß der Toner eine im wesentlichen einheitliche Temperatur in dem Spalt erreicht, die zwischen den Temperaturen des Übertragungselements und des Empfangselements oder Blatts liegt. Daher wird sehr genaue Kontrolle über die tatsächliche Temperatur des getönten Bilds in jedem Übertragungsspalt durch einfache Einstellung der Temperatur eines Donators oder Empfangselements erhalten.
• Fig. 4 stellt in dimensionslosen Einheiten die Temperaturen der verschiedenen Elemente der Druckvorrichtung der Fig. 2 und 3 dar.
• Die Temperatur wird auf einer kurzen Zeitlinie aufgezeichnet, die einem Durchgang eines getönten Bildteils durch den Spalt entspricht, wobei das Segment zwischen vertikal gestrichelten Linien die Zeitspanne von Spaltkontakt anzeigt. Wie durch die Temperaturkurve 102' gezeigt ist, liegt das Element 102 bei einer im wesentlichen einheitlichen Temperatur T&sub1;, die im Spaltbereich etwas ansteigt und schnell zum Gleichgewicht zurückkehrt, wenn das Band weiter aus dem Spalt heraus rotiert. Das Element 104 befindet sich bei einer höheren Temperatur 104', die allgemein bei einer Temperatur T&sub2; über der Tonerschmelztemperatur liegt. Diese Temperatur fällt etwas in dem ersten Spalt, bleibt jedoch über dem Tonererweichungstemperaturbereich Ts. Das Tonerbild 200 hat eine durch die Linie 200' gezeigte Temperatur. Dieses Bild hat die Temperatur des Bandes, auf dem es sich befindet, und steigt in dem Spalt schnell auf eine Temperatur (T&sub1;+T&sub2;)/2 an, die, wie oben erwähnt, über der Tonererweichungstemperatur liegt, so daß der Toner unter dem Druck des Spalts mit dem Empfangselement 104 koalesziert und an demselben anhaftet. An dem zweiten Übertragungsspalt wird das Empfangssubstrat 107 bei einer dritten Temperatur T&sub3; eingeführt, welche, wie dargestellt, niedriger als die Temperatur T&sub2; ist. Allgemein wird das bildempfangende Substrat im wesentlichen dicker als die Tonerbildschicht 200 sein, d. h. es wird 0,1 bis 0,3 mm dick sein, und wird anders als das Tonerbild eine im wesentlichen kontinuierlich einheitliche Bahn sein. Seine Temperaturänderung wird deshalb viel langsamer erfolgen, und nur von seiner Kontaktfläche kann erwartet werden, das sie abhängig ein schnelles Gleichgewicht mit einem gegenüberliegenden Element an einem Übertragungsspalt erreichen wird. Die Temperatur dieses Bereichs ist durch eine Kurve 107' angezeigt. Wenn das Blatt durch den Spalt hindurchläuft, steigt diese Temperatur auf eine Temperatur im Schmelzbereich Tf des Toners bei ungefähr (T&sub2;+T&sub3;)/2 an. Nach Hindurchlaufen durch den Spalt, fällt die Temperatur des Blatts und erreicht schließlich Raumtemperatur, die außerhalb der Skala der Figur liegt. In dieser Figur entspricht der rechte Teil der Kurve 200' dem Toner auf dem Element 104, der das Blatt 107 berührt und auf dasselbe übertragen wird. Daher stellt der rechte Teil der Kurve 107' eine Fortsetzung der Tonertemperaturkurve 200' dar, die die Entwicklung des Bilds am zweiten Spalt zeigt. Wie oben beschrieben ist, kann diese zweite Kurve durch Ändern der Temperatur des hereinkommenden Blattes 107 nach oben oder nach unten verschoben werden. Dies kann durch Hindurchführen des Blatts 107 durch einen Heizstrahlerabschnitt erreicht werden, indem zusätzliche Wärme über eine Druckrolle 105 oder irgendein anderes, im Stand der Technik bekanntes Mittel an das Blatt angelegt wird.
• Der Bildübertragungsvorgang ist für darstellende Zwecke durch Bezugnahme auf einen Drucker beschrieben worden, der einen einzigen Tönungsarbeitsgang verwendet. In den anderen Ausführungsformen umfaßt die Erfindung jedoch Mehrfarben- oder Mehrstufendrucker verschiedener Typen.
• Fig. 5 zeigt einen Mehrfarbendrucker 500 gemäß diesem Aspekt der Erfindung, bei dem ein in Funktion und physikalischen Eigenschaften dem Element 104 von Fig. 2 entsprechendes Zwischenbildübertragungselement 504 angeordnet ist, um ein einfarbig getöntes Bild von jeder einer Vielzahl von Bildbildungsstationen 510, 520, 530, 540 zu empfangen. In jeder der Bildbildungsstationen empfängt ein dem Element 102 von Fig. 2 entsprechendes Abbildungselement 512, 522, 532 bzw. 542 ein latentes Ladungsbild, das durch einen einfarbigen Toner zum Bilden eines getönten Bildes getönt wird. Die getönten Bilder bewegen sich jeweils zu einer entsprechenden Übertragungsposition TR&sub1;, TR&sub2;, TR&sub3; oder TR&sub4;, wo das trockene Pulverbild erhitzt und dem Übertragungselement 504 überlassen wird. Die Bildladungs-, Tönungs- und Freigabearbeitsgänge jedes bildbildenden Bandes kann im wesentlichen die gleiche wie für die einfarbige Ausführungsform von Fig. 2 gezeigt sein. Eine Reinigungsstation kann auch zwischen der Bildübertragungs- und der Löschstation einschlossen werden. Da Übertragung effektiv vollständig ist, reicht ein einfacher Filzwischer oder eine Tuchrolle zum Sicherstellen von Bandsauberkeit aus.
• Wie bei der einfarbigen Ausführungsform, arbeiten sowohl die Abbildungsbänder als auch das Übertragungsband 504 isotherm und bei verschiedenen Temperaturen voneinander. Das Band 504 hat eine relativ große Wärmemasse, und kann durch Heizeinrichtungen (nicht gezeigt) innerhalb einer oder mehreren seiner Transportrollen oder durch Heizstrahler erhitzt werden, die entlang seines Weges positioniert sind. In der Ausführungsform von Fig. 5 erfolgt die Bildübertragung von jedem Abbildungsband zu dem Übertragungselement an einem Spalt, der zwischen gegenüberliegenden Rollenpaaren begrenzt ist.
• Fig. 5A zeigt einen anderen Mehrfarbendrucker 500', der auch eine Vielzahl getrennter einfarbiger Abbildungsstationen verwendet, die ihre getönten Bilder auf ein gemeinsames Übertragungsband übertragen. Typischerweise können die vier einzelnen Farben drei Primärfarben und schwarz umfassen, wobei die Abbildungsstation für schwarz vorzugsweise die letzte zum Übertragen ihrer Bilder ist - die unterste Station in dem dargestellten System mit einem sich im Uhrzeigersinn bewegenden Übertragungsband. In dieser Ausführungsform trägt ein Paar Positionierrollen, jedes Paar einfach als (Ra, Rb) gekennzeichnet, das Übertragungsband 504, so daß es tangential um den Umfang des Abbildungsbands oder der Trommel an ihrem Kontaktspalt mit jedem der bildtragenden Elemente läuft. Dies liefert eine verbesserte Verweilzeit im Spalt, proportional zu der Länge des Umfangskontaktweges, und ermöglicht dem Übertragungsband 504, bei einer niedrigeren Temperatur ohne Verringerung seiner Transportgeschwindigkeit zu arbeiten.
• Die Erfindung beabsichtigt weiter, daß es durch Vorsehen der Positionierrollen Ra, Rb an bewegbaren Elementen, so daß ihre selektiven Positionen angepaßt oder verändert werden können, möglich ist, getrennt die Verweil- oder Kontaktzeit für das Übertragungsband mit jedem der Farbbildträger einzustellen. Dies ermöglicht auch, daß das Übertragungsband aus Kontakt mit den Bilduntersystemen einer oder mehrerer Farben zurückgezogen wird, so daß die Maschine in einer Ein-, Zwei- oder Dreifarbenbetriebsart ohne Verlust von Bildqualität oder unnötiger Abnutzung der nicht verwendeten Abbildungsbänder betrieben werden kann. Zupassen zwischen Farben kann in einer direkten Weise durch Ermittlung der relativen Positionen jeder Farbe auf dem Band 504, und eine kompensierende Anpassung der Zeitsteuerung elektrischer Steuersignale an die Abbildungspatronen zum Verschieben der Position eines Farbbildes auf jedem der Donatorbänder um eine zweckmäßige Entfernung erreicht werden.
• In Betrieb arbeiten die Drucker der Fig. 5 und 5A durch Bilden des speziellen Farbtrennteils eines gewünschten Bildes getrennt an jeder der Abbildungseinheiten 510, 520, 530 und 540, wobei Phasenverzögerungen oder aufeinanderfolgende Entfernungsversetzungen entlang jedes Abbildungsbandes den Entfernungen entsprechen, die durch das Band 504 zwischen dem Empfang aufeinanderfolgender Bilder zurückgelegt werden. Nachdem das erste Pulvertonerfarbbild zu dem Band 504 getragen und auf das selbe übertragen worden ist, wo es als ein geschmolzenes Bild vorzugsweise an dem Band 504 anhaftend bleibt, wird das nächste Farbbild in ähnlicher Weise berührt und an das Band 504 auf dem bereits empfangenen ersten Bild angehaftet. Es soll festgestellt werden, daß das Übertragungsband in der Ausführungsform von Fig. 5A sich synchron in Kontakt mit dem Abbildungsband bei einem sehr niedrigen Kontaktdruck bewegt, und die Haftung der nachfolgenden Farbe an der bereits aufgebrachten Farbe allgemein mindestens so groß wie an dem Übertragungsband und größer als zu ihrem eigenen Niederenergie- Abbildungsband sein wird, so daß die zusätzliche Farbe gelöst wird, wenn sie das Transportband 504 bei einer niedrigen Kontaktkraft und ohne Beeinträchtigung des ersten Farbbilds berührt. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, wobei aufeinanderfolgende Farben auf die existierenden Bilder übertragen werden, wo sie sich bei der Temperatur T2 des Übertragungsbands befinden. Das kombinierte Mehrfarbenbild wird dann wie in der einfarbigen Ausführungsform zu dem Aufzeichnungsblatt 107 an einem Druckspalt mit der Rolle 105 übertragen.
• Es wird erkannt werden, daß die vorhergehende Beschreibung nur illustrativ sein soll und daß Änderungen und Abwandlungen der Erfindung den Fachleuten in diesem Bereich einfallen werden, so daß viele praktische Ausführungen weiter durch zusätzliche, hier nicht speziell offenbarte Merkmale variiert werden können. Zum Beispiel kann ein Lösemittel auf ein oder mehrere der Abbildungsbänder 102, 512, ... aufgebracht werden, oder kann in einem oder mehreren der Toner eingeschlossen werden, um vollständige Bildübertragung unter variierenden Bedingungen von Geschwindigkeit, Temperatur oder Feuchtigkeit sicherzustellen. In ähnlicher Weise kann der Drucker zum Erhitzen jedes Farbtoners auf eine andere Temperatur betrieben werden, zum Beispiel unter Verwendung verschiedener Temperaturen T1i für die verschiedenen Farbabbildungsbänder zum Sicherstellen, daß, obwohl das Band 504 isotherm läuft, jeder Farbtoner auf das Übertragungsband bei einer etwas anderen Temperatur so übertragen wird, daß die zuerst aufgebrachten Toner unbeeinträchtigt durch spätere Toner bleiben.

Claims (13)

1. Drucksystem des Typs, der ein Abbildungselement (102) zum Bilden eines Tonerbilds und ein Übertragungselement (104) zum Aufnehmen des Tonerbilds von dem Abbildungselement und Übertragen des genannten Tonerbilds auf einen Empfänger (107) zum Bilden eines Drucks umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

das Abbildungselement (102) eine dielektrische Oberflächenschicht aufweist, die glatt und hart ist und eine Oberflächenenergie unter etwa 20 · 10&supmin;&sup5; N/cm (20 Dyn/cm) aufweist, und

das Übertragungselement (104) eine Bildaufnahmefläche umfaßt, die kompressibel ist und eine Oberflächenenergie über 20 · 10&supmin;&sup5; N/cm (20 Dyn/cm) hat, wobei das genannte Übertragungselement einen Transferspalt (110) mit dem genannten Abbildungselement (102) bildet und im wesentlichen isotherm (T2) arbeitet, wodurch ein Wärmegradient über dem Tonerbild hergestellt wird, wobei sich die heißere Seite gegenüber dem Übertragungselement (104) bei einer Erweichungstempertur (Ts) befindet und die kältere Seite gegenüber dem Abbildungselement (102) unterhalb der Erweichungstemperaturen (Ts) befindet, wodurch Haftung an dem Übertragungselement (104), jedoch nicht an dem Abbildungselement (102) verursacht wird.

2. Drucksystem nach Anspruch 1, bei dem das Übertragungselement eine Oberflächenenergie von ungefähr 22-35 · 10&supmin;&sup5; N/cm (22-35 Dyn/cm) und eine Kompressibilität von 50-80 Shore A aufweist.

3. Drucksystem nach Anspruch 2 zur Verwendung mit einem Toner mit einer Toner-Glasübergangstemperatur Tag und einer Toner-Erweichungstemperatur Ts, und bei dem das Abbildungselement und Übertragungselement jeweils im wesentlichen isotherm bei Temperaturen T1 bzw. T2 arbeiten, und

T1 < Tag < Ts < T2 ist.

4. Drucksystem nach Anspruch 3, bei dem das Übertragungselement das Tonerbild zu einem zweiten Spalt trägt, an dem es ein Aufnahmeblatt berührt, um das Tonerbild in einem geschmolzenen Zustand auf das Aufnahmeblatt zu übertragen, wenn die Temperatur des Tonerbilds abnimmt.

5. Drucksystem nach Anspruch 4, das Mittel zum Erhitzen des Aufnahmeblattes auf eine Temperatur T3 umfaßt, so daß T1 < T3 < Ts ist.

6. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem die dielektrische Oberflächenschicht eine Kapazität von etwa 400 pF.cm&supmin;² hat.

7. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Bildaufnahmefläche des Übertragungselements ein Silikongummi umfaßt, das vorzugsweise leitend ist.

8. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem die Bildaufnahmefläche des Übertragungselements ein Fluorsilikon enthält.

9. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-8, das weiter wenigstens ein weiteres Abbildungselement umfaßt, das angeordnet ist, um ein Tonerbild einer zusätzlichen Farbe zu bilden und das Tonerbild einer zusätzlichen Farbe auf das genannte Übertragungsbild zu übertragen, wodurch ein mehrfarbiges Bild auf dem genannten Übertragungselement gebildet wird.

10. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-9, bei dem jedes von dem genannten Abbildungselement und dem genannten Übertragungselement ein Band ist.

11. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem die kompressible Bildaufnahmefläche des genannten Übertragungselements größer als 0,5 mm ist.

12. Drucksystem nach einem der Ansprüche 1-11, das weiter umfaßt:

Mittel zum Bilden des genannten Tonerbilds einschließlich latenter Abbildungsmittel zum Aufbringen eines latenten Ladungsbildes direkt auf das genannte Abbildungselement, und

Tönungsmittel zum Entwickeln des latenten Ladungsbilds mit einem trockenen Pulvertoner zum Bilden des genannten Tonerbilds auf dem Abbildungselement,

wobei sich das genannte Abbildungselement nacheinander an dem genannten latenten Abbildungsmittel, dem genannten Tönungsmittel und dem genannten Übertragungsspalt vorbei bewegt, um das genannte Tonerbild auf das Übertragungselement aufzubringen.

13. Drucksystem nach Anspruch 12, bei dem der genannte Toner ohne Wachskomponente zubereitet ist.