应用于三层成象过程的多辊轮静电上色系统 美国专利4078929、4868600、4959286、5049949和5245392(它们的揭示内容在此被引用作为参数)表明一系列多层成象的有效方法和设备，例如Xerox Corporation4850高辉亮彩色打印机中所看到的。这些专利讲述一利用经调制的激光束在一成象带上(或其他电荷保持表面)生成三种不同电平的潜象。大部分激光打印机采用二层系统，即对各成象象素作单纯的显或灭。但上述专利利用作时间调制的写激光束，由此激光束生成静电潜象成象为三种状态：全显、半显和灭。
虽然由上述专利提出的多层成象在许多方面有利，但与此相关也有数个缺点。例如，美国专利4959286指出折衷方法，采用三层成象来替换二层成象需要在一帧之内形成三个亮度水平的图象(亦即，黑、白和彩色的)，由此将电压作对半或更多的分割。这就使得必须采用高灰度系数生成系统，例如一导电磁刷。在这样的系统中所采用的上色剂显影设施是由花费大量的技术上的努力和成本取得的。此显影系统为双重结构的上色系统，其组成和运行均复杂而繁难。每一种情况中图象与施主辊轮间的电位差均为300伏左右，因而使得为实现足够的图象显象就必须采用多种不同类型的技术。例如美国专利5245392采用一特殊的偏置线来促进在一施主辊轮的上方形成带电荷上色剂的粉末云雾以改善图象显影的浓度。这些系统中采用双施主(注粉器)辊轮，特别昂贵和不利。
按照本发明发现，采用一种非磁性的上色处理和设备，例如加拿大专利申请公开2059036(基于1991年1月8日提交的美国申请，序号07/639360，其发明内容在这里引用作为参数)中所揭示的，能取得一种较之现有技术的三层系统的显象系统大为简单的高灰度级生成系统。按照本发明的显象系统和方法，与上述美国专利中所介绍的普通的三层系统相比较，在处理速度和过程的可变性方面的限制也远少得多，因为图象电位较高和对上色剂的充电和上色剂的光学构成的依赖性很小，这就给三层(或者其他多层)成象处理提供了更强的操作性能。
按照本发明的一个方面，提供一种利用分别具有第一和第二施粉器辊轮的第一和第二非磁性上色剂流化层的图象形成方法。此方法包括基本上连续的步骤：(a)将一电荷保持表面均匀充电至一预定电压电平；(b)在此电荷保持表面上的不同地点形成至少第一和第二不同时相互分开的静电潜象；(c)移动电荷保持表面通过第一非磁性上色剂流化层以使得电荷保持表面与第一流化层的第一注粉器辊轮发生作用；(d)将第一流化层和第一注粉器辊轮以电气偏置成第一有效偏压电平，以使得由第一注粉器辊轮将非磁性上色剂传送到第一图象显象第一图象同时防止第二图象显象；(e)移动电荷保持表面通过该非磁性上色剂流化层，以使电荷保持表面与第二流化层的第二注粉器辊轮发生作用；和(f)将第二流化层和第二注粉器辊轮加以电气偏置成与步骤(d)第一偏压电平不同的第二偏压电平，以使得第二注粉器辊轮传送到第二图象的非磁性上色剂显象第二图象同时防止第一图象显象。
通常各流化层具有单一的注粉器辊轮而不象现有技术中设置的双辊轮，大大简化了系统和方法。在这种情况下实施步骤(c)是通过电荷保持表面与第一、单个的注粉器辊轮相互作用，而步骤(e)的实施则通过电荷保持表面与第二、单个的注粉器辊轮相互作用。
通常实施步骤(d)是对第一极性的上色剂的第一流化层施加偏置，电压，而步骤(f)的产施则是对第二极性的上色剂施偏置电压。例如，步骤(d)可进行对第一流化层加以负偏压，向步骤(f)则对第二流化层加以正偏压。步骤(c)和(d)进行施加和显现黑上色剂，而步骤(e)和(f)则施加和显现彩色上包剂。步骤(d)可以是将第一正电压加至第一注粉器辊轮，而步骤(f)对第二注粉器辊轮加以第二正电压，此第二正电压至少低于第一电压50伏。例如步骤(d)可将一约6700伏的负电压加到第一流化层和将一约550伏的正电压加到第一注粉器辊轮，而步骤(f)则将一约7600的正电压加给第二流化层和一约450伏的正电压加到第二注粉器辊轮。
按照本发明的另一个方面，提供一种图象形成设备包括如下组成部件：一可移动的电荷保持表面；为将此电荷保持表面均匀充电到一预定电压电平的装置；为在电荷保持表面上不同位置形成至少第一和第二不同的、相分开的静电潜象的装置；各自具有和第一和第二注粉器辊轮的第一和第二相分开的非磁性上色剂流化层；为移动电荷保持表面首先通过第一非磁性流化层以使电荷保持平面与第一注粉机辊轮相作用，然后移动电荷保持通过第二非磁性上色剂流化层以使电荷保持表面与第二注粉器辊轮相作用的装置；为使第一流化层和第一注粉器辊轮以第一有效偏置电压作电气偏置以使由第一注粉器辊轮传送到第一图象的非磁性上色剂显象此第一图象同时防止和第二图象显象的装置；和为对第二流化层和第二注粉器辊轮作与第一偏置电压不同的第二偏置电压电气偏置以使得由第二注粉器辊轮传送到第二图象的非磁性上色剂显象该第二图象同时防止第一图象显象的装置。
第一注粉辊轮最好由一单个的与第一流化辊轮相关连的注粉器辊轮构成，而第二注粉器辊轮由一单个的与第二流化层相关连的注粉器辊轮构成。可移动的电荷保持表面可作成薄膜的、卷筒式、或其他通常的结构，最好作成可移动的光电导带状物。传送辊轮通常设置在各流化层与相关的注粉器辊轮之间。为将电荷保持表面均匀充电至一预定电平的装置通常由一电晕放电装置构成，例如一亚电晕管、电晕管或双电晕管，而为在不同位置形成电荷保持表面的装置则包括一基于激光的输出扫描装置。还设置有所有其他与一打印机有关的一般组成部件，例如为将第一和第二图象由电荷保持表面传送到一页纸上的装置、清除设备等。
按照本发明的再一个方面，提供一图象形成设备包括有下列组成部件：可移动电荷保持表面；为将此电荷保持表面作均匀充电至一预定电压电平的装置；为在电荷保持表面上不同位置形成至少第一和第二不同的、分离开的静电潜象的手段；第一和第二分开的非磁性上色剂流化层；具有一第一单个的注粉器辊轮的第一流化层；具有一第二单个的注粉器辊轮的第二流化层；为移动电荷保持表面首先通过非磁性上色剂第一流化层，以使电荷保持表面与第一注粉器辊轮相关连地操作，和随后移动电荷保持表面通过第二非磁性上色剂流化层，以使电荷保持表面与第二注粉器辊轮相关连地操作的装置；为对第一流化层和第一注粉器辊轮作电气偏置的装置；和为对第二流化层和第二注粉器辊轮作电气偏置的装置。这一设备的细节基本上与前面的实施例中所述相同。
本发明的主要目的是能显著改善运行性能和较之普通设备大为简单的多级成象方法和设备。由对本发明的详细说明以及由所列的权利要求将会清楚理解本发明的这一和其他目的。
对附图的简单说明：
图1A为现有技术一多层成象系统中的光感受器上的电位与写激光束曝光量间的关系曲线图示；
图1B表示由图1A现存技术曲线中得到的二者色图象的特定充电电平；
图1C为以累积转换系数对所加电场的曲线表明一般的处理按照本发明的处理之间的示意比较图形；
图2为表示现有技术中的一般的三层打印机的原理图示；
图3为与图2相同地表示按照本发明的三层打印机的原理图示；
图4为图3系统的显象设备的详细侧面原理图；和
图5A-5E为说明按照本发明的方法中图4的显象设备的操作的原理图示。
图1A和1B对例如通常的多层成象系统中揭示的电压电平和美国专利4078929及4959286中所示过程作图解说明。图1A作出光感受器(P/R)上的电位与由写激光束产生的暴光量间的关系曲线。最初在暴光之前成象带由一电晕放电装置均匀充电至700伏的高电位。在写设备中，激光束可被分配作三种不同层次曝光。可被叫作“灭(off)”的第一层不使光感受器受任何光线曝光。在电荷不被擦除地区保持为900伏的电平，即为标绘V
CAD。V
CAD是Xerox公司对“充电区显象”所用术语。这是指这一显层所在地区将使得上色剂对感象带上的未被擦除亦即带电荷区显象。第三层即“全显(fullon)”层是由激光束的最大曝光产生图象区最大放电的区域。这种曝光是作为彩色曝光层的在图上被标明为EX COLOR。以对激光束的全量曝光，产生放电而将电位擦除降低到约100V电平亦即V
DAD。V
DAD是Xerox公司对“放电区显象”所用术语。这一成象层是在一被擦除的或未充电区域的将作次色层亦即彩色上色剂显象的场所。第二成象层为不加成象的背景区。Xerox对其定名为V
white。这是由对被指定的白色区域加以一限定量的激光功率(EX WHI TE)，以使得仅擦除一半电荷层。这种层次发生在约500伏的V
CAD与V
DAD的中点。此特定电位的极性对所介绍情况并不重要，因为它在正电位和负电位侧均能工作。
图1B表示二被上色图象的电荷的特定电平以及注粉器辊轮被加以电气偏置的情况。“被充电区显象”的黑色着色图象区处于900伏的高电位。着色剂将利用900伏图象与作600伏偏置的注粉器辊轮之间产生的电场力沉积到这一区域内。V
bb为600伏的理由是在其与背景电压Vw(500V)间建立一反向电场，以使得上色剂不致在背影区内显象。在这一情况下黑色上色剂将作负向充电。同样地，彩色图象将由带有在一电气镜象中相对背景电压Vw建立的电压电位的正上色剂进行显象。
图1C表示二不同显象过程的二不同的显象曲线，按照现有技术的过程以曲线5表示，而按照本发明的曲线则为曲线6。对这种显象系统如美国专利4959286所建议的所希望的高“灰度等级”描述显象曲线中央部分的斜度，斜度越大生成越高的灰度系数。曲线5是利用由采用一双现有技术组成部件显象系统的实验室试验所提取数据作出的，见D.A.Hays的论文“电荷微粒的电场分离”，P.339，K.L.Mittal，Particles on Surface I，Plenum Press，New York，1988。曲线6的数据取自按照本发明的系统和方法的实验室试验。与曲线5相比曲线6的灰度系数较高是很明显的，表明如加拿大2059036中所介绍的非磁性上色过程和设备很好地适用于多层成象。采用按照本发明的显象系统和方法可能免除现存技术中增加显象系统的有效灰度系数的施主辊轮上的特殊AC电极，这样的AC电极导致产生扰乱上色剂和产生粉末云的问题的AC电场。
图2中所示为一现有技术三层打印机示例，在美国专利4959286中作完整的说明。图2的装置采用一最好是由光电导表面和电导基衬组成的光电导带形式的电荷保持表面，被安装来移动通过一充电设备A，曝光设备B，显象剂设备C，转印设备D，和清除设备F。光电导带10以箭头16的方向移动使其各相继的部分顺序前进通过分布在其运动路径上的各不同处理设备。光电导带10被在多个辊轮18、20和22上传输，其中前者可被用作驱动辊而其后者可被用来提供电感受器带10以适当的张力。电动机23转动辊轮18使光电导带10以箭头16的方向前进。辊轮18由诸如皮带驱动器之类的恰当装置与电动机23耦合。
起始，光电导带10的各相继部分通过充电设备A。在充电设备A处，一电晕放电装置，例如一亚电晕管、电晕管或双电晕管(总的以标号24指明)，将光电导带10充电到所选择大小的均匀正或负电位V
o。任何本技术领域公知的合适控制器均可被用来控制电晕放电装置24。
接着，光感受器表面10的被均匀充电部分前进通过曝光设备B。在曝光设备B处，该被均匀充电的光感受器即电荷保持表面10被曝露到一基于激光的输出扫描装置25，使电荷保持表面10被按照该扫描装置的输出放电。最好此扫描装置为二级激光光栅输出扫描器(ROS)。
在显象设备C处，显象系统(以标号30作总体指明)使得显象剂材料与静电潜象相接触。此显象系统30由第一和第二显象剂装置32和34组成。
显象剂装置32包括一层有一对磁刷辊轮35和36的机壳。这些辊轮使得显象剂材料40与光感受器接触以使充电区图象I
1显象。此显象剂材料40含有例如说被作正极性充电的黑上色剂。将电源41电气连接到显象剂装置32实现电气偏置。例如在当图象I
1通过显象装置32与光感受器之间的显象区时通过电源41给辊轮35和36加以约-150至-200伏的直流偏置。当图象I
2通过显象区时，显象装置32上的偏置被切换到-800至-850伏的电压电平以此来防止该图象的显象。
显象剂装置34包括一含有一对磁刷辊轮37、38的机壳。这些辊轮使显象剂材料42与光感受器接触以显象被放电区图象I
2。显象剂材料42含有例如说被作负极性充电的彩色上色剂以显象此被放电区的图象。通过将电源43电气连接到显象剂装置34来实现适当的电气偏置。当图象I
2通过显象装置34与光感受器10之间的显象区时，由偏置电源43对辊轮37和38加以约-650至-700伏的适当的直流偏置。当图象I
1通过这一显象区时，显象装置34上的偏量被切换到-0至-50伏，以此来防止该图象的显象。
一张承载材料58(例如纸张)在转印设备处被移动至与上色剂图象相接触。该承载材料薄层58依靠通常的薄片馈送装置(未作图示)传送到转印设备D。最好此薄片馈送装置包含有一与一叠复印纸张的最上页相接触的馈给轮。馈给轮转动将向复印纸叠的最上面一页送进一斜槽，将被传送的该页承载材料按一时间顺序导向到与导电带10的光电导表面的相接触，从而使得其上显象的上色剂粉末图象能在转印设备D处与前进中的该页承载材料相接触。
在转印设备D处，二个图象I
1和I
2被相继转印到承载纸页58上形成最后的图象。任何合适的转印装置64均可被用来将图象I
1和I
2顺序转印到承载纸页58上。此转印装置64使承载材料第一次与光感受器接触转印图象I
1而第二次用于转印图象I
2。
在转印后，纸页58继续以箭头66的方向移动到一传送带(未作图示)上，将纸页58传送到融合设备E。
融合设备E包含一融合剂组件(总体以标号68指明)，它将被转印的粉末图象永久地固定在一复印基片(纸页)58上。最好此融合剂组件68由一被加热的融合剂辊轮70和一支撑辊轮72组成。纸页58以上色剂粉末图象与融合辊轮70相接触地在融合辊轮70与支撑辊轮72之间通过。这样，上色粉末图象就被永远地固着到纸页58。在融合之后，一斜槽(未作图示)将前进中的纸页58导引到一接收架(亦未加图示)，以便随后由操作人取离打印机。
在承载材料页面58从光电导带10的光电导表面分离后，光电导表面10上的非图象区域所载有的余留上色剂质粒被由其去除。这些质粒在清除设备F处被去除。在此清除设备F处设置有一磁刷清理器机壳。此清理器装置具有通常的磁刷滚轮结构，以使此清理器机壳内的载体质粒形成相对于此滚轮结构和电荷保持表面的刷状取向。它还包含一对为由磁刷去除余留的上色剂的去色滚轮。其他的清理器如毛刷可替代或同时加以采用。
在作清理之后，一放电管(图中未示出)以光线泛射光电导表面以便在为相继的成象周期对之充电前消除任何剩留下的残余静电电荷。
按照本发明的装置在图3和4中作原理性说明。图3和4的装置与图2的装置除显象设备75、76外均相同。因此其他部件均以图2实施例中同样的标号表示，虽然很明显可有很多种不同型式的部件用于代替这些特殊说明的部件。还可以设置多于二个显象设备75、76。图4示出的此系统是一以约每分钟60页的固定成象速度的典型系统。
设备75包含一如加拿大2059036中所揭示的具有一转印辊轮78和一单个的注粉器辊轮79的非磁性上色剂流化层77。同样，第二显象设备76包含一具有一转印辊轮81和第二单个的注粉器辊轮82的第二流化层80。设备75、76在图4中作较详细的表示。
图4中，流化气体，例如空气，被引入进流化层77，例如通过侧板或底板进入腔室83，以便使该气体向上流过透气活底84进入流化层77中的成粉末状的和非磁性上色剂85。流化上色剂85由一电晕产生装置、即装置86充电，例如在图4中所说明的实施例中由电源87保持为-6700伏。此电晕产生装置、即装置86可由任何适用的装置构成，包括如加拿大2059036中所说的具有很尖锐的叶片的旋转部件，或静止的装置。
电晕装置、即装置86将上色剂85作负极性质粒充电。此上色剂质粒由电场力传送到转印辊轮78的外表面，此辊轮78在图4所述实施例中被保持为+150伏的电气偏置，如图4中由电源88所指明的。上色剂质粒由静电附着力被保持到辊轮78的表面直到它们达到与注粉器辊轮79相对的位置，后者在此实施例中保持为+550伏的电位，如电源89所指明的。上色剂因辊轮78、79(+550、+150)间的电位差400伏所产生的电场力而在二旋转辊轮78、79的相对方向间转印。然后上色剂由注粉器辊轮79的表面传送，直到其与成象带/电荷保持表面10上的正图象一起作用，在此处其被动力地传送到带10。
第二显象设备76除被加以各别的电压外与设备75相同。流化层80包含一流化气体流进的腔室90，然后此气体经过透气活底91进入上色剂92的流化层，被流化的上色剂92为由电流94作电气偏置到例如+7600伏的电晕装置、即装置93加以充电。电源95将转印辊轮81偏量到+850伏，而电源96则将第二注粉剂辊轮82偏置成+450伏。层92中的上色剂质粒被作正极性充电并首先由电场力转移到转印辊轮81然后再到注粉剂辊轮82，此注粉剂辊轮82将正极性上色剂送到紧紧对着它们传送到的成象带10上的负极性图象(与之相互作用)的位置。
虽然上述是被加以特定的电场和电荷电平，但应当理解这些仅仅是表明三层系统最可能需要的相对电平。它们仅只是大致的电平，它们均是可加以改变的，甚至可能被作成简单地利用速度跟踪电压源来驱动每一高压电晕源86、93以一随光电导带10的速度和每秒欲打印的页数而改变的可变速度系统工作。
图5A～5E原理性地说明要用如图3和4所示的按照本发明的装置和实现本发明的方法的三层显象机制。在光电导带10到达第一上色设备75之前，潜象的电气结构表现为三级电位，如由图1B现有技术中所看到的。
图5A表明在进入显象设备75和76之前成象带10的电气图象结构。带10上的三个电位区域表示将写激光束25调制到三级曝光在成象设备B所生成的三层成象。区域101表示将以负极性充电的黑色上色剂显象的高电荷区域。区域103表示为负极性区的低电荷区域。虽然这一区域的电位电平为+100伏，它也是代表一负极性图象，因为按照相对偏压，这是最负极性区向最终将由正极性彩色上色剂来显象。最后一区105处于中间电位500伏，表示背景、不成象的、或“白色”区域。
图5B表示其静电图象101～103正面对着显象系统75的第一注粉器辊轮79时的显象带10。在辊轮79的表面上由上述过程形成一单层厚度的负极性上色剂85。辊轮79由电源89偏置到+550伏电平。对着900伏区域的负极性上色剂被由这一区的电场E造成的辊轮79与图象之间包含的静电力驱动至这一区域。在此，E向量的取向是要使上色剂85因电场力的作用离开辊轮79并被传送到图象区101。在此非图象电位区102和负极性上色剂图象103中，上色剂85保留在辊轮79表面上。这里，随着电位差的反相，电场向量E的取向将为进一步迫使上色剂85保留在辊轮79上的方向。
图5C说明光电导带10处于二显象设备75、76之间时的图象结构。负极性上色剂104附着到带上的正极性图象区域101。其他二图象区域102和103不受通过此第一显象设备75时的影响。上色剂层104因为上色剂的负极性电荷实际上将稍许改变区101上的电位。如果以一无接触静电电压表来测量这一区将会测得改为+850伏的表面电位。
图5D表示在对着第二显象系统76时显象带10的结构。在一类似于图5B的结构中，辊轮82上形成单层的正极性上色剂92。保持在450伏的电位，此正极性充电的上色剖92被传送至相对为负极性的电荷区103。因为其他二电荷区101和102较之辊轮82有较正的极性，电场向量E在这些区内将反相，从向阻止来自辊轮82的上色剂转印。
图5E表明在经二显象系统75和76中的上色剂显象之后光电导带10的结构。来自被充电区101和103的静电库伦力分别将负极性黑上色剂104和正极性彩色上色剂105粘附到成象带10。背景、即白色区102在这一区中无上色剂显象。
虽然上述系统和方法是优先改虑的，但也可以类似地采用美国专利4959286中所描述的，其中具有显象剂机壳偏置转换。这可以由利用上面说明的非磁性上色剂显象系统中的注粉器/转印辊轮偏置转换来实现。
将会看到，按照本发明所提出的成象方法和装置能利用较简单的构成部件来得到大大改善通常的多层成象处理性能的窗口。尽管对本发明已按当前认为是最现实和理想的实施方案作了图示和说明，而对本技术领域的熟练人员来说很显见可以在本发明的范畴之内对之作出许多变型，这一范畴应符合所附列的权利要求概括的所有等价的方法和设备的最广义的解释。