ЭЛЕМЕНТ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СПОСОБЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
ELEMENT FOR ELECTROSTATIC IMAGES FORMATION AND METHODS OF ITS APPLICATION

Уровень техники
Настоящее изобретение относится к новому элементу формирования изображений, а именно элементу формирования скрытых электростатических изображений, который способен генерировать скрытое электростатическое изображение посредством одностадийного процесса зарядки. В изобретении предложен новый способ формирования скрытого электростатического изображения без необходимости в периоде фоторазрядки, ограничивающем скорость, с которой способно действовать устройство формирования изображений, и ограничивающем геометрию устройства формирования изображений.
В традиционном процессе электрофотографической печати используется сохраняющая заряд поверхность, обычно известная как фоторецептор, которая электростатически заряжается, после чего на нее осуществляется световая проекция исходного изображения с целью избирательной фоторазрядки поверхности в соответствии с исходным изображением. Эта стадия фоторазрядки занимает время, определяемое временем переноса носителей заряда и требуемым снижением поверхностного потенциала. Это время называется периодом фоторазрядки. После периода фоторазрядки из полученной структуры заряженных и разряженных областей фоторецептора формируют потенциальный рельеф, известный как скрытое изображение, соответствующее исходному изображению. Скрытое изображение проявляют путем введения его в контакт с тонкоизмельченным электростатически притягиваемым порошком, известным как тонер. Тонер закрепляют на участках изображения за счет электростатического заряда на поверхности фоторецептора. Таким образом, получают проявленное тонером изображение в соответствии со световым изображением воспроизводимого или печатаемого оригинала. Затем проявленное тонером изображение непосредственно или с использованием промежуточного носителя для переноса и закрепленного на нем изображения может быть перенесено на основу или носитель (например, бумагу) с целью получения постоянного оттиска воспроизводимого или печатаемого изображения. После проявления с сохраняющей заряд поверхности удаляют остающийся на ней излишек тонера. Этот процесс применим для проекционного копирования с оригинала или для печати созданных или хранящихся в электронном виде оригиналов, например, с помощью растрового сканера вывода (ROS), когда заряженная поверхность может разряжаться по изображению разнообразными способами.
Таким образом, ясно, что существующая ксерографическая печать предусматривает множество стадий, таких как зарядка фоторецептора, избирательная световая экспозиция фоторецептора с целью стимулировать фоторазрядку в течение определенного времени для создания скрытого изображения, проявление скрытых изображений, перенос и закрепление проявленных изображений, и стирание и очистка фоторецептора. Эта последовательность стадий налагает геометрические и пространственные ограничения, что, в свою очередь, не способствует компактности системы. Перспективой развития отрасли является применение более скоростных устройств меньшего размера. Таким образом, существует потребность в переработке их архитектуры с целью создания устройств с меньшими ограничениями в отношении компактности, таких как, например, печатающее устройство, способное создавать скрытое изображение в течение одной стадии процесса зарядки.
Кроме того, в традиционной ксерографии время переноса носителей заряда после световой экспозиции также ограничивает скорость, с которой способна действовать система. С увеличением скорости действия системы сокращается время, доступное для фоторазрядки, в результате чего также уменьшается снижение поверхностного потенциала. Для преодоления этого недостатка и сокращения времени разрядки используются новые молекулы с переносом дырок и конструкции слоев элемента формирования изображений. Тем не менее, недостатком даже обеспечивающих самую высокую скорость новых молекул и конструкций является присущее им время переноса слабых полей после световой экспозиции. Для преодоления этого недостатка было предложено вообще исключить стадию разрядки и получать скрытое изображение на одной стадии зарядки. В патентной заявке US 12/887434 (заявитель Klenkler и др.), поданной 21 сентября 2010 г., описан элемент формирования изображений, позволяющий создавать скрытое изображение в процессе зарядки за счет использования адресуемых в цифровой форме металлических прокладок, образующих элементы отображения, помещающиеся между задней панелью тонкопленочного транзистора (TFT) и тонким диэлектрическим поверхностным слоем, при этом каждый элемент отображения может по отдельности избирательно изолироваться или заземляться посредством задней панели транзистора. На диэлектрической поверхности элемента формирования изображений может создаваться скрытое электростатическое изображение путем избирательного заземления элементов отображения по изображению с одновременным воздействием на диэлектрическую поверхность устройства источником коронного разряда, таким как коротрон. Ионизированный коронным разрядом газ будет избирательно притягиваться силами электростатического взаимодействия к заземленным элементам отображения под диэлектрическим слоем. Таким образом, накопление заряда под действием скоротрона избирательно регулируется посредством возбужденной задней панели. Тем не менее, поскольку такие варианты осуществления являются сложными, сохраняется потребность в создании более простой конструкции, которая также обеспечивает высокоскоростную ксерографию.
Сущность изобретения
В соответствии с проиллюстрированными особенностями изобретения предложен способ создания скрытого электростатического изображения, включающий: использование элемента формирования электростатических изображений, дополнительно содержащего основу, генерирующий заряд слой, нанесенный на основу, и слой с переносом заряда, содержащий переносящие заряд молекулы, находящиеся на генерирующем заряд слое, при этом элемент формирования электростатических изображений является светочувствительным; избирательную световую экспозицию поверхности элемента формирования электростатических изображений; и зарядку поверхности элемента формирования электростатических изображений, при этом заряд не накапливается экспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений и накапливается неэкспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений. Используемый в описании термин "светочувствительный" означает, что в результате светопоглощения в материале, поглощающем свет, происходит электронное возбуждение до высокого энергетического уровня с возможностью переноса электронов в материале, который может быть измерен как увеличение протекания тока через вещество, которое усиливается или ослабляется относительно интенсивности и длины волны света.
В другом варианте осуществления предложен формирователь электростатических изображений, содержащий элемент формирования электростатических изображений, содержащий основу, генерирующий заряд слой, нанесенный на основу, и слой с переносом заряда, содержащий переносящие заряд молекулы, находящиеся на генерирующем заряд слое, при этом элемент формирования электростатических изображений является светочувствительным; экспонирующее устройство для избирательной световой экспозиции поверхности элемента формирования электростатических изображений; и статический электризатор для зарядки поверхности элемента формирования электростатических изображений, при этом заряд не накапливается экспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений и накапливается неэкспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений.
В еще одном варианте осуществления предложено устройство формирования изображений для формирования изображений на носителе записи, содержащее: а) формирователь электростатических изображений, имеющий сохраняющую заряд поверхность для нанесения на нее скрытого электростатического изображения, при этом формирователь электростатических изображений содержит элемент формирования электростатических изображений, содержащий основу, генерирующий заряд слой, нанесенный на основу, и слой с переносом заряда, содержащий переносящие заряд молекулы, находящиеся на генерирующем заряд слое, а элемент формирования электростатических изображений является светочувствительным; экспонирующее устройство для избирательной световой экспозиции поверхности элемента формирования электростатических изображений; и статический электризатор для зарядки поверхности элемента формирования электростатических изображений, при этом заряд не накапливается экспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений и накапливается неэкспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений; б) проявляющий компонент для нанесения проявляющего материала на сохраняющую заряд поверхность с целью проявления скрытого электростатического изображения и формирования проявленного изображения на сохраняющей заряд поверхности; в) переносящий компонент для переноса проявленного изображения с сохраняющей заряд поверхности на основу для копирования; и г) закрепляющий компонент для закрепления проявленного изображения на основе для копирования.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано поперечное сечение традиционного элемента формирования изображений,
на фиг.2 показано поперечное сечение элемента формирования скрытых электростатических изображений согласно настоящему изобретению,
на фиг.3 показан ксерографический сканер для осуществления экспериментов с электрическими измерениями и двоением изображения, и
на фиг.4 и 5 показаны диаграммы, иллюстрирующие накопление заряда с предварительной экспозицией и без предварительной экспозиции.
Подробное описание изобретения
Традиционному ксерографическому процессу на основе фоторецептора присущи недостатки, включающие ограниченную подвижность носителей заряда (и, соответственно, ограниченное время реакции системы и скорость печати) и необходимость в периоде фоторазрядки, что не способствует компактности системы. Для устранения этих недостатков в прошлом предлагалось несколько решений, но они не позволили полностью преодолеть все сложности.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предложен формирователь электростатических изображений, который содержит экспонирующее устройство, такое как лазерный растровый сканер вывода (ROS) или матрица светоизлучающих диодов (СИД) для использования до стадии зарядки и фоторецептор, накопление заряда в котором может регулироваться с использованием ROS. Это сочетание обеспечивает избирательную экспозицию фоторецептора до зарядки, например, от коротрона, скоротрона или поляризующего зарядного валика. В результате светочувствительного накопления заряда фоторецептором образуется скрытое изображение без необходимости традиционной послезарядной фоторазрядки, то есть не требуется период фоторазрядки, и устраняются связанная с компактностью и скоростью действия системы недостатки, обусловленные временем переноса носителей заряда после световой экспозиции. По существу, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложена простая конструкция компактной высокоскоростной ксерографической системы, недостижимая в известных устройствах.
В вариантах осуществления настоящего изобретения накопление заряда фоторецептором регулируется с использованием молекул с переносом дырок, которые при включении в фоторецептор обеспечивают светочувствительное накопление заряда, что делает возможным регулирование накопления заряда путем предварительной световой экспозиции элемента формирования изображений. За счет использования адресуемого экспонирующего устройства до стадии зарядки скрытое изображение может формироваться целиком на стадии зарядки без необходимости ожидать, пока дырки достигнут поверхности переносящего заряд слоя. Экспонированные участки не накапливают заряд, поступающий из зарядного устройства, и обеспечивают достаточное напряжение для проявления изображения. Неэкспонированные участки накапливают ионы из зарядного устройства и приобретают полезный фоновый потенциал. Кроме того, с повышением скорости снижается напряжение, что способствует высокоскоростной ксерографии. Скрытое изображение формируется целиком на стадии зарядки, и устраняется необходимость во временном интервале между стадиями экспозиции и проявления.
Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложен способ создания скрытого электростатического изображения, включающий использование элемента формирования электростатических изображений, избирательную световую экспозицию поверхности элемента формирования электростатических изображений и зарядку поверхности элемента формирования электростатических изображений, при этом заряд не накапливается экспонированной поверхностью элемента формирования электростатических изображений, и электростатическое изображение формируется на одной стадии зарядки. В таких вариантах осуществления элемент формирования электростатических изображений содержит основу, генерирующий заряд слой, нанесенный на основу, и слой с переносом заряда, расположенный на генерирующем заряд слое, при этом слой с переносом заряда содержит переносящие заряд молекулы.
На фиг.1 проиллюстрировано традиционное устройство 5 формирования ксерографических изображений, в котором скрытое электростатическое изображение формируется посредством фоторазрядки после зарядки скоротрона. Показано, что традиционное устройство 5 формирования изображений содержит формирователь 10 электростатических изображений, имеющий сохраняющую заряд поверхность 12 для нанесения на нее скрытого электростатического изображения, проявляющий компонент 15 для нанесения проявляющего материала на сохраняющую заряд поверхность 12 с целью проявления скрытого электростатического изображения и формирования проявленного изображения на сохраняющей заряд поверхности 12, переносящий компонент 20 для переноса проявленного изображения с сохраняющей заряд поверхности 12 на основу 22 для копирования и закрепляющий компонент 25 для закрепления проявленного изображения на основе 22 для копирования.
Формирователь электростатических изображений содержит элемент 30 формирования изображений, статический электризатор 35 для зарядки поверхности элемента формирования электростатических изображений и экспонирующее устройство 40 световой экспозиции поверхность элемента 30 формирования изображений. Как показано на фиг.1, сохраняющая заряд поверхность 12 элемента 30 формирования изображений должна быть заряжена, а затем разряжена для формирования потенциального рельефа, известного как скрытое изображение, которое соответствует исходному изображению. Скрытое изображение проявляют путем введения его в контакт с тонкоизмельченным электростатически притягиваемым порошком, известным как тонер. Тонер удерживается на участках изображения электростатическим зарядом на поверхности элемента формирования изображений. Затем изображение, проявленное тонером, непосредственно или с использованием промежуточного носителя 20 для переноса и закрепленного на нем изображения может быть перенесено на основу или носитель (например, бумагу) с целью получения постоянного оттиска воспроизводимого или печатаемого изображения. После проявления с сохраняющей заряд поверхности 12 удаляют остающийся на ней излишек тонера, например, с помощью очищающей щетки 45.
2
2
2
2
На фиг.2 проиллюстрировано устройство 50 формирования ксерографических изображений согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Показано, что в вариантах осуществления настоящего изобретения устройство 50 формирования изображений имеет компоненты и конструкцию как у традиционного устройства формирования изображений за исключением того, что экспонирующее устройство 40 и статический электризатор 35 в формирователе 10 электростатических изображений расположены в обратном порядке по сравнению с традиционным устройством 5 формирования изображений. В таких вариантах осуществления предусмотрено, что скрытое изображение формируется во время зарядки. Накопление заряда регулируется за счет использования молекул с переносом заряда или дырок и переменным накоплением заряда в зависимости от световой экспозиции и избирательной предварительной световой экспозиции элемента формирования изображений до зарядки поверхности. Поскольку избирательно экспонированная поверхность элемента формирования электростатических изображений не накапливает заряд, электростатическое изображение может формироваться на одной стадии зарядки. Таким образом, за счет регулирования накопления заряда вместо традиционной фоторазрядки процесс не ограничен временем фоторазрядки. В этих вариантах осуществления экспонирующее устройство излучает свет с интенсивностью от около 100 эрг/см до около 5000 эрг/см или от около 1000 эрг/см до около 3000 эрг/см. В этих вариантах осуществления экспонирующее устройство выбирают из группы, включающей лазерный растровый сканер вывода (ROS) и матрицу светоизлучающих диодов (СИД). Статический электризатор может выбираться из группы, включающей коротрон, скоротрон и поляризующий зарядный валик.
В вариантах осуществления настоящего изобретения элемент формирования изображений содержит основу, генерирующий заряд слой, нанесенный на основу, и слой с переносом заряда, расположенный на генерирующем заряд слое, при этом слой с переносом заряда содержит переносящие заряд молекулы. В частных вариантах осуществления переносящие заряд молекулы представляют собой N,N,N',N'-тетра(4-метилфенил)-(1,1'-бифенил)-4,4'-диамин.
Слой с переносом заряда также может содержать любой применимый компонент с переносом заряда или активирующее соединение, применимое в качестве добавки, растворимой или молекулярно диспергируемой в электрически нейтральном полимерном материале, таком как поликарбонатное связующее, для получения твердого раствора и тем самым придания этому материалу электрической активности. Термин "растворенный" относится, например, к получению раствора, в котором малые молекулы растворены в полимере с образованием однородной фазы, а термин "молекулярно диспергируемый" относится в вариантах осуществления, например, к молекулам с переносом заряда, диспергированным в полимере, при этом малые молекулы диспергированы в полимере на молекулярном уровне. Компонент с переносом заряда может добавляться в пленкообразующий полимерный материал, который в противном случае не способен обеспечивать инжекцию фотогенерированных дырок из генерирующего заряд материала и перенос этих дырок. За счет этого электрически нейтральный полимерный материал преобразуется в материал, способный обеспечивать инжекцию фотогенерированных дырок из генерирующего заряда слоя и перенос этих дырок через слой с переносом заряда для разрядки поверхностного заряда на слой с переносом заряда. Обладающий высокой подвижностью компонент с переносом заряда может представлять собой малые молекулы органического соединения, взаимодействующие с целью обмена носителями заряда между молекулами и в конечном итоге его переноса на поверхность слой с переносом заряда.
Примерами компонентов с переносом заряда являются ариловые амины следующих формул/структур:
и
3
в которых Х означает применимый углеводород, такой как алкил, алкокси, арил и его их производные; галоген или его смеси, в частности, заместители, выбранные из группы, включающей Сl и СН; и молекулы следующих формул
и
в которых X, Y и Z независимо друг от друга означают алкил, алкокси, арил, галоген или их смеси, и в которых присутствует по меньшей мере одно из следующего: Y и Z. Алкил и алкокси содержат, например, от 1 до около 25 атомов углерода, более точно, от 1 до около 12 атомов углерода, такие как метил, этил, пропил, бутил, пентил и соответствующие алкоксиды. Арил может содержать от 6 до около 36 атомов углерода, такие как фенил и т.п. Галогеном является хлор, бром, йод и фтор. В вариантах осуществления также могут быть выбраны замещенные алкилы, алкокси и арилы. Одним из конкретных применимых материалов с переносом заряда является N,N,N'N'-тетра(4-метилфенил)-(1,1'-бифенил)-4,4'-диамин формулы
Примеры конкретных ариловых аминов, которые могут быть выбраны для слоя с переносом заряда, включают без ограничения N,N'-дифенил-N,N-бис(3-метилфенил)-1,1'-бифенил-4,4'-диамин (ТРГ); N,N,N',N'-тетра-р-толил-1,1'-бифенил-4,4'-диамин (TM-TPD); N,N'-дифенил-N,N'-бис(алкилфенил)-1,1-бифенил-4,4'-диамин, при этом алкил выбирают из группы, включающей метил, этил, пропил, бутил, гексил и т.п.; N,N'-дифенил-N,N'-бис(галофенил)-1,1'-бифенил-4,4'-диамин, при этом галозаместителем является хлорозаместитель; N,N'-бис(4-бутилфенил)-N,N'-ди-р-толил-[р-терфенил]-4,4"-диамин; N,N'-бис(4-бутилфенил)-N,N'-ди-m-толил-[р-терфенил]-4,4"-диамин; N,N'-бис(4-бутилфенил)-N,N'-ди-о-толил-[р-терфенил]-4,4"-диамин; N,N'-бис(4-бутилфенил)-N,N'-бис-(4-изопропилфенил)-[р-терфенил]-4,4"-диамин; N,N'-бис(4-бутилфенил)-N,N'-бис-(2-этил-6-метилфенил)-[р-терфенил]-4,4"-диамин; N,N'-бис(4-бутилфенил)-N,N'-бис-(2,5-диметилфенил)-[р-терфенил]-4,4'-диамин; N,N'-дифенил-N,N'-бис(3-хлорфенил)-[р-терфенил]-4,4"-диамин; и т.п.
В вариантах осуществления настоящего изобретения переносящие заряд молекулы содержатся в слое с переносом заряда в количестве от около 1% до около 60% или от около 30% до около 50% по общему весу слоя с переносом заряда. Слой с переносом заряда может иметь толщину от около 2 микрон до около 40 микрон или от около 20 микрон до около 30 микрон.
В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрены различные преимущества по сравнению с традиционной системой на основе фоторецептора. В частности, формирование электростатических изображений происходит без послезарядного фотоиндуцированного периода разрядки и переноса заряда, что присуще конструкциям с использованием фоторецептора. Это обеспечивает высокую скорость работы и компактность конструкции за счет одновременной зарядки и формирования скрытого изображения вместо формирования изображения посредством фоторазрядки.
Пример
Изготовление прототипа
Изготовили приспособление 55 для электроиспытаний с использованием сканера 60 с 84-мм барабаном, показанного на фиг.3. В качестве зарядного устройства 65 использовали скоротрон, а в качестве экспонирующего устройства 90 использовали источник света на основе 630-нм СИД со строчной разверткой. В качестве стирающей лампы 70 использовали ксеноновой лампу с 780-нм светофильтром. Экспонирующую систему поместили перед скоротроном, а стирающую лампу поместили после электростатического вольтметра (ESV), обозначенного как ESV1 (75) и ESV2 (80). После стирающей лампы поместили ESV3 (85). Приспособление 55 для испытаний имело максимальную частоту вращения 240 об/мин, в результате чего получили следующее распределение временных интервалов (Таблица):
Таблица
Изготовление фоторецептора
Распределение временных интервалов
Высокоинтенсивное экспонирование
0 мсек
Скоротрон
45 мсек
ESV1
75 мсек
ESV2
92 мсек
Стирающая лампа
108 мсек
ESV3
141 мсек
Изготовили элемент формирования изображений в соответствии со следующей процедурой. Использовали металлизированную основу из MYLAR, на которую машинным способом нанесли фотогенерирующий слой из фталоцианина гидроксигаллия (HOGaPc)/поли(бисфенол-Z карбоната). В бутыль из янтарного стекла поместили 50% по весу высококачественного N,N,N'N'-тетра(4-метилфенил)-(1,1'-бифенил)-4,4'-диамина (Соединение 1) и 50% по весу полимерного связующего FPC-0170 (производства компании Mitsubishi Gas Chemical Co.), чтобы изготовить слой с переносом заряда.
Затем полученную смесь растворили в метиленхлориде, чтобы получить раствор, содержащий 15% по весу твердых частиц. Раствор нанесли на фотогенерирующий слой, чтобы получить покрытие, которое после сушки (при 120°С в течение 1 минуты) имело толщину 30 микрон. После этого на бескорпусном алюминиевом барабане диаметром 84 мм смонтировали элемент формирования изображений и заземлили.
Способ испытаний
2
С использованием описанной выше измерительной системы смонтировали фоторецептор и установили энергию экспозиции линейного сканера на уровне 3,9 мА согласно показаниям фотодиода при включенном состоянии, как показано на фиг.4, и 0 мА согласно показаниям фотодиода при выключенном состоянии, как показано на фиг.5. При этой установке в фоторецептор при включенном состоянии поступал свет на волне 630 нм с интенсивностью 3000 эрг/см. Установили скорость вращения барабана на уровне 240 об/мин. Затем измерили накопление заряда (с помощью ESV1 и ESV2 на фиг.3) для включенного и выключенного состояний.
Результаты
В выключенном состоянии накапливается очень большой заряд (около 450 В), что эквивалентно заряженному состоянию при традиционной ксерографии на основе проявления разряженных участков (DAD) (фиг.4.). Во включенном состоянии накапливается очень небольшой заряд (около 40 В), что эквивалентно разряженному состоянию при традиционной ксерографии на основе DAD (фиг.5).