交流电晕放电装置 技术领域
本发明涉及电晕放电装置，更具体地说，涉及改进的交流电晕放电装置。
背景技术
自商业上的复印机出现以来，在静电复印机中使用电晕放电装置把电荷施加到一个表面上已经是传统的技术了。电晕放电装置包括小直径的线以及当施加高电压时产生离子的点的阵列。原来，把几千伏(kV)的直流电压施加到电晕放电装置上，使邻近的空气分子电离，把电荷由该装置排出，并使电荷被吸引到一个相邻的低电位表面比如要充电的感光器的表面上，然而，当没有电晕时，这样的放电装置会在相邻的表面上沉积过量并且不均匀的电荷。
为了对把电荷施加到相邻的表面上进行控制，使得产生均匀的电荷分布，并避免过度的充电，已经在电晕放电装置，有时把它称为“coronode(电晕电极)”与要充电的表面之间设置一个导电屏。这种带屏的电晕放电装置被称为“scorotrons”。在Walkup地专利No.2777957和Mayo的专利No.2778946中描述了典型的scorotrons装置。然而，早期的scorotrons使电晕放电装置的放电效率降低到只有大约3％。这就是说，在电晕线产生的每一百个离子中只有三个到达要充电的表面。这些装置对放电均匀性和放电数量的控制也很差，有时使得被充电的表面达到超过屏电压100％或更高的电压。现在使用中的改进了的scorotrons通常把表面电位控制在施加到屏上的参考电压的大约3％以内，并且，以大约30％到50％的效率运行，但是，这些装置变得复杂，并且相应地费钱。Mott的专利No.3076092公开了一种直流偏压的交流电晕放电装置，它不需要一个控制屏。
另外的电晕放电装置包括一排或交错的两排针，把高电压施加到这些针上，在这些针的顶端上产生电晕的电场。
因为这样的电晕放电装置或“coronodes”把空气中的氧气和氮气分子电离，它们常常产生不希望水平的臭氧以及硝酸盐化合物，这些化合物会造成化学腐蚀。通常，需要较大的放电装置提供高的电流能力，同时要避免在电晕电极线与放电装置的低电压导电器或以高放电速率被充电的表面之间产生起电弧现象。
被称为“dicorotron”的又一种电晕放电装置包括一根被涂布的玻璃电晕线，把交流电压施加到该线上，且还包括一个相邻的直流电极，此电极把一种极性的电荷驱动到要被充电的感光器，同时把极性相反的电荷吸引到它自身上。然而，Dicorotrons是易碎的和昂贵的，并且，由于被涂布的线的半径要大得多，这种装置要求非常高的交流电压(8-10千伏)。它们也产生高水平的臭氧和硝酸盐，并需要电晕线离开低电压导电部件和要充电的表面相当远，为的是避免起电弧。
来自导电的电晕线的负电晕发射典型地包括浓度高的电子发射点和电离点，这些点沿着电晕线随机地间隔开。由于现在还不完全理解的原因，这些电晕发射点或“热点”之间的间隔随着相对湿度的减小而提高，这造成对相邻的表面的充电非常不均匀。电晕发射点之间的间隔也随着施加到电晕线上的负电压向电晕阈值电压降低而提高。
高品质的图像复印，特别是为了重新产生包含大面积灰色或大面积处于中间范围的等价中性密度的颜色的图像时，要求沿着电晕放电装置的长度放电要高度均匀，施加到相邻的表面的每单位面积上的电荷的偏差不超过正或负3％。非常希望在上面讨论过的那种类型的scorotron放电装置中在四倍时间常数的时间内把感光器的表面电位充电到最后的渐进电压的大约2％。然而，scorotron装置不是有效的，占用空间大，并且对灰尘的收集敏感。还有，scorotron的较低的效率会产生比一个更有效的放电系统可能产生的更多的臭氧。
发明概要
因此，本发明的一个目的是提供一种电晕放电装置，与传统的放电装置相比，它改进了效率，并提高了成本的有效性。
本发明的另一个目的是提供一种电晕放电装置，它降低了在电晕电极与要充电的表面或与一个相邻的导电表面之间产生电弧的可能性，并限制了在出现电弧的情况下的能量和所造成的破坏。
本发明的又一个目的是提供一种交流电晕放电装置，它保证相等地产生正的电晕放电和负的电晕放电。
本发明的再一个目的是提供一种电晕放电装置，在该装置中，表示由电晕电极到一块裸露平板的电流与施加到邻近电晕电极的一个屏蔽件上的电压之间的关系的曲线的形状为靠近原点通过，并且是向下中凹的，以提供一条更快形成的放电渐近线。
本发明的再一个目的是提供一种电晕放电装置，它降低了电晕风把灰尘和其它悬浮的小颗粒运送进电晕放电单元中和穿过该放电单元的可能性。
本发明的再一个目的是提供一种电晕放电装置，它明显地对于浮在空气中的上色剂和其它绝缘颗粒的碎屑不敏感。
本发明的这些和其它目的是通过提供一种电晕电极实现的，通过一个电容器把该电晕电极连接到一个产生电晕的高电位高频交流电源上，该电容器有高的电压额定值，并有邻近电晕电极的一个控制屏蔽件，把该屏蔽件连接到一个直流偏压电位上。通过一个电容器把电晕电极连接到交流电源上，使得由线到相邻的表面不会产生高电流电弧，同时仍然使得放电电流足够地高，以便对于高速印刷机可以提供适当的放电速率。
在一个优选实施例中，电晕电极是一根线，该线的直径大约为50微米，施加到该线上的峰到峰值的交流电位大约是5.5千伏到7.0千伏，在交流电源与电晕线之间连接的电容器的电容量为由大约每厘米线长度0.6毫微法到大约7毫微法，最好为大约2毫微法，供应给部分地包围着该线的相邻的导电金属屏蔽件的直流电位在由大约-500到大约-1000伏的范围内，最好为大约-700伏。
在本发明的另一实施例中，电晕电极由一排或多排针构成，这些针有产生电晕的点，这些针的阵列通过相应的电容器连接到一个交流电源上，一个导电屏蔽件邻近该排针，并把该屏蔽件连接到一个直流偏压上。用这样的装置，平板电流对应屏蔽电压的曲线是向下中凹的，确保感光器电位将比指数更快地上升到渐进值，并且，以比简单的指数上升的直线更大的斜率由靠近原点处开始。
附图的简要描述
通过与附图结合起来阅读下面的描述将会进一步清楚本发明的目的和优点，在附图中：
图1为一个示意性端视图，示出了按照本发明的一个代表性的交流电晕放电装置，它采用了小直径的电晕线作为电晕电极；
图2为图线表示，示出了用图1中所示的那种类型的交流放电装置在有电容器及没有电容器的条件下在平板电流与屏蔽电压之间的关系，其中，画出了由电晕线到一个相邻的裸露平板的电流对于施加到屏蔽件上的电压的关系；以及
图3为一个示意性侧视图，示出了按照本发明的另一个代表性的实施例，它采用了包括产生电压的针的电晕电极。
实现本发明的最佳方式
在图1中所示的本发明的典型实施例中，产生电晕的装置10包括一个电晕电极，此电极是通过电容器14连接到交流电源16上的一根小直径电晕线12。一个导电的通道屏蔽件18在三个侧面围绕着该电晕线12，并通过一个提供偏压的直流电压源20连接该屏蔽件。该电晕线12的直径范围为由大约40微米到大约75微米，最好为大约50微米，电容器14有足够高的电压额定值，以便经受交流电源16提供的电压，该额定值的范围最好由大约6000伏到大约7000伏峰到峰的电压值，并希望为大约6500伏峰到峰的电压值。按照本发明，电容器14的电容量足够低，把提供给电晕线12的电流限制为大约每厘米3微安，此值足够地低，可以避免明显的起电弧，但是又足够地高，可以对相邻的感光器22的表面充电，在箭头24的方向上以大约每秒10厘米的速度驱动该感光器。最好，电容器14的电容量在由大约每厘米长度的电晕电极0.6毫微法到大约7毫微法，最好2毫微法的范围内。用这样的设置，来自2千赫兹的交流电源16的最大电流将大约为每周每厘米3微库仑的1/2000，或者大约为每周每厘米1.5毫微库仑，这一数值有效地抑制了电晕线12与屏蔽件18或与感光器22之间的起弧。还有，即使出现起电弧，电容器14所造成的电流限制避免了50微米的电晕线的毁坏。
在图2中示出了图1中所示的装置在用通过一个安培计连接到地的一块裸露平板替代感光器22之后平板电流对应屏蔽电压的典型的曲线28。在1999年10月18日提供的申请序列号No.09/420395中描述了裸露平板电流测量的意义，在这里把该文件的内容接合进来作为参考。曲线28表示在5.0kV的交流电压下平板电流与屏蔽电压之间的关系，该曲线是向下中凹的。这与由省去电容器并在交流电压供应装置与电晕线之间实现直接连接的装置所得到向上中凹的曲线30相反。曲线28的向下中凹的的原因在于：电晕电极在负偏压的屏蔽件与被充了负电的感光器之间的负空间电位中工作。围绕该电晕电极的负空间电位明显增加了正的电晕放电，同时抑制了负的电晕发射。事实上，随着在感光器上的电荷的增加，在感光器表面上的电位趋向在屏蔽件上的负参考电位，围绕电晕电极的电位逐渐变得甚至更负。
对于图1的装置在图2中所示的向下中凹的曲线28的优点在于：感光器充电曲线(表面电位Vs对应时间t的曲线)的渐近线更快速地形成，这是因为图2的I对应V的斜率在零电流值处最大。此外，对于一个给定的初始电流，平板电流在整个放电过程中比在I对应V的曲线为直线的情况下更高，提供了更高的放电效率，这减少了臭氧的产生。较快的放电速率也保证在所要求的放电时间内所达到的感光器表面电位有更高的均匀性。典型地说，在感光器上的电荷在比四倍时间常数少的时间内将达到它的渐进值的98％。这与用于在交流电源16与电晕线12之间没有任何电容器的系统的平板电流对应屏蔽电压的典型曲线30相反，由于靠近零电流值处它有较小的斜率，曲线30需要较长的放电时间才能使感光器达到处在给定的交流电晕电极电压值的渐进电压值。
此外，用在图1中所示的那种类型的交流放电装置，电晕风为最小，从而减少了把上色剂灰尘和其他悬浮的小颗粒引进放电单元中，并减少了不希望的碎屑在放电单元包括线12和屏蔽件18的表面上的沉积。不仅因为驱动离子的作用力每个循环颠倒两次(对于2千赫兹的交流频率，每秒钟4000次)使电晕风为最小，而且，可能沉积在屏蔽表面上的上色剂和其它浮在空气中的碎屑有极小的不利影响。
这是因为在把一个给定的渐进电位施加到屏蔽件18上并只有相等数量的正和负离子由电容连接的电晕电极12产生的条件下，一旦感光器达到屏蔽件的渐进电位，在屏蔽件上的上色剂或灰尘就没有任何理由再接受任何净电荷。开始时，在屏蔽件与感光器之间的直流电场将把负离子驱动到感光器，并把正离子驱动到屏蔽件。当感光器达到它的渐进值时，在屏蔽件与感光器之间的电场将消失，将不再出现对感光器的充电和对屏蔽件上的绝缘的上色剂或灰尘充电。
相反，对于直流电晕放电，将把电晕电极极性的离子驱动到涂布了粉末的屏蔽件或驱动到一个电晕电极的栅极，朝着电晕电极的电位显著地升高粉末的电位。结果使得电晕电极的栅极的等效电压上升到刚好在施加到导电的栅极自身上的电压值以上的一个数值。
对于类似的上色剂的小颗粒或在电晕电极线上收集的其它碎屑，由于施加到该线上的高频交流电压，在电晕阈值以上的电场将以所施加的交流频率交替地产生电子和离子的等离子体。在负循环中，在等离子体区域(离开线的表面大约8到20微米或更多)以外的上色剂颗粒将接受负电荷，并将被强烈地排斥离开该线。在等离子体区域内的任何颗粒将被相反地充电到线的电位。一旦交流电场的极性颠倒(对于2千赫兹的交流电场，为1/4000秒之后)，那些带电的颗粒将被爆炸性地驱动，离开电晕电极的表面。当把交流电晕电压施加到手工地涂布了上色剂的一个电晕电极上时，观察到这种突然的爆炸性的粉末流。结果，用电容性地连接到一个交流电源上的电晕电极进行放电明显地减少了在传统的放电装置中的放电单元中由上色剂或浮在空气中的碎屑所引起的问题。
在图3所示的本发明的另一实施例中，一个电晕产生装置36包括一个电晕电极38，它有按阵列设置的电晕产生针40，该阵列横截着要充电的感光器42的表面的宽度伸展。在此另外的实施例中，两排针40朝向一个T形屏蔽件46的竖直的壁44的相对的侧面，该屏蔽件包括在两排针40的上方伸展的一个上部水平壁48。最好，针40的顶部离开屏蔽件的竖直的壁44和水平的壁48有大约相等的距离，并且，离开表面42有大约相等的间隔。通过电容器50把这些针40连接到一个交流电源52上，此电源与图1中的电源16有相同的特点，把屏蔽件46连接到一个直流偏压源54上。此装置的电晕产生件与电源之间的电容性连接50提供了与图1的交流电源16与电晕线12之间的电容性连接相同的优点。
已经发现：对于所有的针设置单一的电容器可以提供与对于每一根针设置一个分开的电容器基本上相同的结果。该电容器的主要功能似乎是保证产生相等的负和正的电晕电离，这防止了在图2中示出的电流对应电压的曲线28在低压端的变平，并且对电离的限制有限，此电离造成电流-电压曲线在高压端变平，在高压端不以同样增加的速率产生离子，使得离子的清除速率接近离子的产生速率。如果希望使用较小的电容，可以对于每一排针设置一个电容器，或者可以对于每十根针或者每十五根针设置一个电容器。尽管不需要对每根针设置一个分开的电容器，但是，那样可能会有限制来自每个顶端的最大电流的好处。为了对每根针设置一个电容器，可以使一排针中的每根针的基底的位置在一个非常薄的绝缘粘接层上，该绝缘层覆盖着连接到交流电源上的一个导电窄条。
虽然在这里已经参考着具体的实施例描述了本发明，但是，对于熟悉本技术的人士来说，将很容易出现许多变化和变型。因此，在本发明所希望的范围内包括所有这样的变型和变化。