DE10145002C2 - Verfahren und Einrichtung zur Fixierung von Toner auf einem Träger bzw. einem Bedruckstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung von Toner auf einem Träger bzw. einem Bedruckstoff, insbesondere einem blattförmigen oder einem bandförmigen Be­ druckstoff, vorzugsweise für eine digitale Druckmaschine.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Fixierung von Toner auf einem Träger bzw. einem Bedruckstoff, insbesondere einem blattförmigen oder einem band­ förmigen Bedruckstoff, vorzugsweise für eine digitale Druckmaschine zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

Beim digitalen, insbesondere elektrostatischen oder elektrophotografischen Drucken wird ein latentes elektrostatisches Bild erzeugt, das mittels geladener Tonerpartikel entwickelt wird, die ihrerseits auf einen das Bild aufnehmenden Bedruckstoff, z. B. Pa­ pier, übertragen werden. Das auf den Bedruckstoff übertragene Bild wird dort durch Erhitzen und Erweichen des Toners und/oder Erhitzen des Bedruckstoffes fixiert. Durch und während dieses Prozesses verbinden sich Tonerpartikel mit dem Bedruck­ stoff und ggf. auch miteinander.

Für das Fixieren des Toners auf dem Bedruckstoff ist die Nutzung von Mikrowellen prinzipiell bekannt. Da die Absorption von Mikrowellenenergie im Toner üblicherweise um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als im Bedruckstoff, wird bevorzugt der Bedruckstoff durch die Mikrowellen aufgeheizt und der Bedruckstoff erhitzt seinerseits den auf ihm befindlichen Toner, und zwar bis auf eine Temperatur, bei der sich der Toner mit dem Bedruckstoff verbindet. Bekanntermaßen sind bei der Nutzung von Mikrowellen für die Fixierung des Toners charakteristische Werte des verwendeten Bedruckstoffes, wie zum Beispiel Gewicht, Feuchte und Zusammensetzung, kritisch und zu berücksichtigen.

So ist beispielsweise aus der US-A-4 511 778 eine Bildfixierungseinrichtung bekannt, die ein Bild aus Toner unter Nutzung von Hochfrequenzwellen, insbesondere Mikrowellen, auf einem Bedruckstoff, insbesondere einem Blatt Papier, fixiert. Ein Aspekt der bekannten Einrichtung ist dabei die Möglichkeit, die Mikrowellen in Abhängigkeit von der Größe des Bedruckstoffes abzugeben, um unter Berücksichtigung dieser Größe als charakteristischen Wert des Bedruckstoffes eine sachgerechte Aufschmel­ zung und Fixierung des Toners zu gewährleisten.

Dies ist eine Vorgehensweise, die recht pauschal ist und nur eine unmittelbar offen­ sichtliche Größe des Bedruckstoffes berücksichtigt und vor der Fixierung für den Be­ trieb der Einrichtung vorgibt, etwa gemäß einer Überlegung, daß ein größeres zu er­ wärmendes Stück aufgrund seiner größeren Wärmekapazität insgesamt mehr Energie benötigt als ein kleineres zu erwärmendes Stück.

Durch diese pauschale Vorgabe bleiben aber weitere kritische Aspekte bei der Nut­ zung von Mikrowellen für die Fixierung von Toner unberücksichtigt. So ist zum Beispiel die zitierte Vorgehensweise nur beim Schwarz-Weiß-Druck mit Papiergewichten von einer geringen Variationsbreite verwendbar, während das eventuell unterschiedliche Verhalten unterschiedlich farbiger Toner und unterschiedlicher Papiergewichte mit eventuell auch noch unterschiedlichem Wassergehalt in dieser pauschalen, auf die Größe des Bedruckstoffes abgestimmten Weise nicht berücksichtigbar ist. Bei einem Farbdruck kann das Tonerbild beispielsweise vier verschiedene Tonerschichten auf­ weisen. Dabei beträgt die maximale Dichte jeder Tonerschicht auf dem Bildträgersub­ strat bzw. Bedruckstoff 100%, wobei sich eine maximale Gesamtdichte der Toner­ schichten im Tonerbild von 400% ergibt. Üblicherweise liegt die Dichte eines einfarbi­ gen Tonerbildes im Bereich von 0% bis 100% Dichte, eines farbigen Tonerbildes im Bereich von 0% bis 290%. Außerdem beinhaltet die zitierte Einrichtung keinen Mikro­ wellenresonator, der bei Mikrowellenanwendung im Hinblick auf eine homogene Auf­ heizung wünschenswert ist, wobei üblicherweise sogar mindestens zwei zueinander versetzt angeordnete Resonatoren verwendet werden, wie aus der US-A-5 536 921 für eine generelle Mikrowellenheizung außerhalb des Druckbereiches bekannt.

Zudem kann bei der Verwendung von blattförmigem Bedruckstoff das Problem auf­ treten, daß in dem mit Mikrowellen bestrahlten Bereich der Randbereich des Blattes energetisch anders bearbeitet wird als der mittlere Blattbereich, so daß es zu einem ungleichmäßig erstellten Druckprodukt kommen kann.

Hinzu kommt, daß bei dem Fixieren von herkömmlichem Toner nur unter Verwendung von Mikrowellen unter Umständen nur eine unvollständige Verschmelzung des Toners, je nach dessen Lagendicke, erzielt wird oder es zu Aufheizungen mit Blasenbildung in Bereichen des Toners kommt. Auch die Anhaftung des Toners auf dem Bedruckstoff ist unter Umständen unzureichend, weil bspw. die Verbindung mit dem Bedruckstoff durch die zu hohe Viskosität des geschmolzenen Toners nicht hinreichend erzeugt wird. Probleme können vor allem dann auftreten, wenn ein Bedruckstoff in zwei nach­ einander ausgeführten Druckvorgängen beidseitig bedruckt wird.

Wegen dieser geschilderten möglichen Probleme wird herkömmlicherweise und übli­ cherweise nicht auf den Einsatz einer Mikrowellenbestrahlung beim Fixieren vertraut, sondern es wird der Toner in der Praxis ohne Mikrowellenbestrahlung erhitzt und mit einem geheizten Walzenpaar unter Druckbeaufschlagung mit dem Bedruckstoff ver­ bunden.

Eine berührungslose Fixierung ist prinzipiell aber zur Schonung des Druckbildes wün­ schenswert. Weitere Vorteile der berührungslosen Fixierung sind die Vermeidung von adhesivem Verschleiß und die dadurch erhöhte Standzeit der verwendeten Einrich­ tung, sowie eine bessere Verläßlichkeit der Einrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine adäquate Fixierung von Toner auf einem Bedruckstoff mittels Mikrowellennutzung, vorzugsweise auch für einen mehrfarbigen Druck auf blattförmigem Bedruckstoff und unter Verwendung eines Re­ sonators und bevorzugt unter Abstimmung auf die herrschenden besonderen Verhält­ nisse, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird in Verfahrenshinsicht erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Toner aufweisende Bedruckstoff mit Mikrowellen aus wenigstens einem Mikrowellen­ sender bestrahlt und für das Schmelzen des Toners erhitzt wird und daß ein Toner verwendet wird, der einen scharfen Übergang von seinem festen zu seinem flüssigen Zustand beim Erhitzen zeigt.

Auf diese erfindungsgemäße Weise kann zum Beispiel ein Trockentoner verwendet werden, der bei einer mittleren Temperatur von etwa 50°C bis 70°C noch recht hart ist, so daß er über konventionelle Verfahren zu einer gewünschten mittleren Tonergröße von z. B. 8-4 Mikrometer gemahlen werden kann und auch bei Entwicklungstempe­ raturen noch nicht klebrig wird oder schmilzt, aber bei höherer Temperatur von z. B. etwa 90°C schon sehr dünnflüssig mit niedriger Viskosität ist, so daß er ggfls. unter Ausnutzung von Kapillaritäten sich auch ohne äußeren Druck und berührungslos auf und in dem Bedruckstoff absetzt und haftet und bei einem Erkalten dann sehr schnell wieder hart wird und fixiert ist, und zwar mit einem guten, dem Bedruckstoffes ange­ paßten Oberflächenglanz, insbesondere mangels ausgebildeter Korngrenzen. Letzte­ res spielt gerade auch bei farbigem Toner für die Farbsättigung eine bedeutsame Rolle.

Dabei kann im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Toner das Verhältnis des Wertes des elastischen Moduls G' bei dem Referenztemperaturwert, errechnet aus der Anfangstemperatur beim Beginn des Glasübergangs des Toners plus 50°C, zu dem Wert des elastischen Moduls bei der Anfangstemperatur selbst < 1E-5, vorzugs­ weise sogar < 1E-7 sein, wobei E für Exponent auf Basis 10 stehen soll.

Die Anfangstemperatur des Beginns des Glasübergangs des Toners wird bevorzugt bestimmt als derjenige Temperaturwert, bei dem sich die Tangenten an den Funkti­ onsverlauf des elastischen Moduls G' als Funktion der Temperatur vor und nach dem Glasübergang schneiden.

Bevorzugt soll der Übergang des Toners von seinem festen in seinen flüssigen Zu­ stand in einem Temperaturintervall bzw. Temperaturfenster von etwa 30° bis 50°K Größe stattfinden. Dieser Bereich soll oberhalb von 60°C, vorzugsweise etwa zwi­ schen 70°C bis 130°C, ganz bevorzugt zwischen 75°C und 125°C liegen.

Eine nächste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, für die auch selb­ ständiger Schutz beansprucht wird, zeichnet sich zur Anpassung an besondere Ver­ hältnisse dadurch aus, daß wenigstens ein physikalischer Verfahrensparameter in Ab­ hängigkeit von einem mit dem Energieeintrag in den Toner aufweisenden Bedruckstoff korrelierenden Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.

Erfindungsgemäß ist also nicht eine einfache pauschale Vorgabe vorgesehen, son­ dern mit Vorteil eine auf die tatsächlichen, vorzugsweise gemessenen Verhältnisse abgestimmte Regelung.

Dabei kann der genannte Energieeintrag im wesentlichen einer vom Gesamtsystem aus Bedruckstoff und Toner aufgenommenen Mikrowellenleistung entsprechen, so daß erfindungsgemäß, den tatsächlichen Verhältnissen entsprechend, die abgege­ bene Leistung mit der aufgenommenen Leistung verglichen und abgestimmt wird. Dies entspricht wiederum im wesentlichen einer Wirkungsgradkontrolle und/oder -einstel­ lung. Dabei kommt insbesondere allgemein in Betracht, eine Regelung auf Seiten des Senders im weitesten Sinne und/oder auf Seiten des empfangenden Toner-Bedruck­ stoff-Systems bzw. des Handhabung vorzunehmen.

Dazu schlägt die Erfindung im einzelnen bevorzugt vor, die Leistung des Mikrowellen­ senders zu regeln und/oder die Geschwindigkeit der Bewegung des Bedruckstoffes zu regeln und/oder den Resonator abzustimmen und/oder die Frequenz der Mikrowellen abzustimmen, letztere beiden Maßnahmen vorzugsweise auch, um eine höhere Ener­ gieabsorption unmittelbar im Toner selbst zu erreichen, und dadurch einen präziseren Einfluß auf dessen Verschmelzung zu nehmen als mittelbar und problematischer über den Bedruckstoff.

Als meßbare Parameter für die abhängige Regelung schlägt die Erfindung bevorzugt die Temperatur des Bedruckstoffes oder die vom Toner-Bedruckstoff-System reflek­ tierte und also nicht absorbierte Mikrowellenenergie vor. Weitere meßbare Parameter können - ohne Begrenzung darauf - das Gewicht/die Dicke oder der Wassergehalt des Bedruckstoffes oder Dichte und Glanz der Tonerschicht sein.

Wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit der US-A-5 536 921 erwähnt, werden üblicherweise für eine homogene Erhitzung des mit Toner belegten Bedruckstoffes mindestens zwei Resonatoren für die Mikrowellen benötigt, die zueinander um λ/4 ver­ setzt angeordnet sind, um entsprechend die Maxima der stehenden Wellen in den Re­ sonatoren zueinander zu versetzen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht statt dessen vor, nur einen Resonator zu ver­ wenden der ganz oder teilweise oszilliert. Für eine derartige Maßnahme wird auch selbständiger Schutz beansprucht.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor bei Verwendung von mehr als zwei Resonatoren diese um eine Länge von λ geteilt durch zwei mal die Anzahl der Reso­ natoren zu versetzen. Dadurch wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung auf dem Substrat erzielt als bei einem Versatz von λ/4. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden vier Resonatoren verwendet deren Abstand jeweils λ/8 beträgt.

Prinzipiell können alle Frequenzen des Mikrowellenbereiches von 100 MHz bis 100 GHz verwendet werden. Üblicherweise werden die zur industriellen, wissenschaftli­ chen oder medizinischen Nutzung freigegebenen ISM-Frequenzen, vorzugsweise 2,45 GHz, genutzt. Eine Verwendung anderer Frequenzen in dem genannten weiten Frequenzbereich kann aber mit Vorteil dazu führen, daß ein größerer Anteil der Strahlungsenergie als üblich vom Toner und nicht nur vom Bedruckstoff absorbiert wird.

Für eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung, die sich in selbständiger Lö­ sung der gestellten Aufgabe dadurch auszeichnet, daß zur Bestrahlung und Erhitzung des einen scharfen Übergang von seinem festen zu seinem flüssigen Zustand bei sei­ nem Erhitzen zeigenden Toners wenigstens ein Mikrowellen abgebender Sender vor­ gesehen ist, wird unabhängiger Schutz beansprucht.

Bevorzugt wird zudem ein oder mehrere Betriebsparameter regelbar vorgesehen.

Die sich erfindungsgemäß ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits im Zusam­ menhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert worden, wobei der dor­ tige Verfahrensparameter dem Betriebsparameter der Einrichtung entspricht.

Es wird die Verwendung mindestens eines Resonators bevorzugt, der in Bewegungs­ richtung des Bedruckstoffes eine Breite von etwa 1 bis etwa 10 cm aufweist, um die Handhabung des Bedruckstoffes zu vereinfachen, andererseits aber eine genügende Leistung (beispielsweise 1-10 kW pro Resonator) zu ermöglichen, ohne daß es zu Spannungsdurchbrüchen kommt. Dabei sollte die Breite des Resonators auch auf die Geschwindigkeit des Bedruckstoffes abgestimmt sein. Es handelt sich dabei um eine relative Geschwindigkeit (zum Beispiel bis zu 100 cm/s), in der Weise, daß sich auch in kinematischer Umkehrung die Fixiereinrichtung relativ zum ruhenden Bedruckstoff bewegen könnte oder auch beide Komponenten. Auch eine stationäre Fixierung ohne jegliche Bewegung wäre denkbar.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist bevorzugt für eine digitale Mehrfarbendruckma­ schine vorgesehen, so daß auch für eine derart ausgerüstete Druckmaschine Schutz im Rahmen der Erfindung beansprucht wird.

Beispielhafte Erläuterungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen nachfolgend im Zusammenhang mit 6 Abbildungen, aus denen sich weitere erfinderische Maßnah­ men ergeben, ohne daß die Erfindung auf die erläuterten Beispiele oder Abbildungen beschränkt wird.

Es zeigen:

Abb. 1 den Funktionalverlauf des elastischen Moduls G' eines Toners als Funktion der Temperatur zur Definition der Anfangstemperatur des Glasübergangs des Toners,

Abb. 2 die gemessenen Funktionalverläufe gemäß Abb. 1 eines erfindungsgemäßen Toners und zweier Toner nach dem Stand der Technik zum Vergleich,

Abb. 3 eine schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Fixieren eines Tonerbildes,

Abb. 4 eine bevorzugte Anordnung von 4 Resonatoren einer erfindungsgemäßen Ein­ richtung zum Fixieren eines Tonerbildes, die jeweils um λ/8 gleichgerichtet ge­ geneinander versetzte Maxima stehender Mikrowellen zeigen,

Abb. 5 die Temperaturverteilung eines Papieres, auf dem nach Beispiel 2 mit einer Anordnung nach Abb. 4 ein Tonerbild fixiert wurde, gemessen mit einem Zei­ lenpyrometer Bartec R2610 unmittelbar nach Verlassen der Resonatoren, wobei der Temperaturverlauf über die Papierbreite bei Einschalten des ersten, der ersten beiden, der ersten drei und aller vier Resonatoren bei einer Pixelgrösse, die etwa 3 mm entspricht, gezeigt ist und

Abb. 6 eine weitere bevorzugte Anordnung von 4 Resonatoren einer erfindungsgemä­ ßen Einrichtung zum Fixieren eines Tonerbildes in zwei Gruppen von jeweils zwei Resonatoren.

Das G'-Verhältnis ist das Verhältnis des elastischen Moduls G' bei der Anfangstem­ peratur des Glasüberganges plus 50°C zu G' bei der Anfangstemperatur des Glas­ übergangs. Die Anfangstemperatur des Glasübergangs wird gemäß Abb. 1 aus dem Schnittpunkt der Tangenten an G' vor und nach dem Glasübergang bestimmt und liegt im dargestellten Beispiel bei knapp 70°C.

In Abb. 2 ist der gemessene Funktionalverlauf von G' gemäß Abb. 1 für drei beispiel­ hafte Toner dargestellt. Die Funktionalwerte von G' wurden durch eine rheologische Messung mit einem Bolin-Rheometer, ausgerüstet mit parallelen Platten von 40 mm Durchmesser bestimmt. Es wurde eine kontinuierliche Temperaturänderung bei einer Frequenz von 1 rad/s entsprechend 0,16 Hz zwischen 50°C und 200°C durchgeführt. Die Spannung (strain) der Messung wurde so gewählt, daß die Probe keine Schubver­ dünnung zeigt (Newton'sches Verhalten).

Nur der erfindungsgemäße Toner zeigt einen scharfen Übergang von festem zu flüs­ sigem Zustand mit einem End-G'-Wert von etwa 1.00E-02. Daraus resultiert ein G'- Verhältnis von 5.0E-08.

Beispiel 1

Der erfindungsgemäße Toner wird mit Mikrowellen fixiert in einem Aufbau bestehend aus 2 Resonatoren, deren Maxima um λ/4 zueinander verschoben sind und die von je einem 2 kW Magnetrons einer Frequenz von 2.45 GHz gespeist wer­ den. Dabei war eine gleichzeitige Fixierung von 10% und 290% Toner-Flächen auf 4CC-Art-Papier, einem beschichteten Papier für hochqualitativem Digitaldruck, mit einem Flächengewicht von 130 g/m² bei einer Prozeßgeschwindigkeit von 210 mm/s möglich. Mit 100% wird eine gleichmäßige Flächenbedeckung von Toner auf Papier bezeichnet, die fixiert eine optische Dichte von ca. 1.4 hat.

Beispiel 2

Der erfindungsgemäße Toner wird mit Mikrowellen fixiert in einem Aufbau bestehend aus 4 Resonatoren, deren Maxima um λ/8 zueinander verschoben sind und die von je einem 2 kW Magnetrons gespeist werden.

Die Resonatoren sind so aufgebaut, daß die Maxima der jeweils folgenden Resonato­ ren um λ/8 in die gleiche Richtung gegenüber dem vorigen versetzt sind (Abb. 4). Da­ durch wird erreicht daß die jeweils anschließenden Bereiche auf dem Druck nachein­ ander aufgeschmolzen werden während der im vorherigen Resonator aufgeschmol­ zene Toner noch flüssig ist. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Temperatur­ verteilung (Abb. 5) erreicht und es sind nach Abkühlen der Tonerschicht unter den Schmelzpunkt des Toners keine Korngrenzen zu erkennen. Den gleichen Vorteil zeigt eine andere Anordnung der Resonatoren nach Abb. 6 während die übrigen möglichen Anordnungen deutlich schlechtere Ergebnisse bezüglich Temperaturverteilung und Korngrenzen zeigen.

Es hat sich dabei herausgestellt, daß eine unabhängige Justage der einzelnen Reso­ natoren auf maximale Absorption nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt. Das Fixierergebnis ist zu ungleichmäßig. Die Absorption des Bedruckstoffes in den aufein­ ander folgenden Resonatoren wird vielmehr bei jeweils eingeschalteten vorangehen­ den Resonatoren optimiert, um ein gleichmäßiges Fixierergebnis zu erhalten. Mit die­ sem Vorgehen war eine gleichzeitige Fixierung von 10% und 290% Toner-Flächen auf 4CC-Papier mit einem Flächengewicht von 130 g/m², einem unbeschichteten Papier für hochqualitativem Digitaldruck, bei einer Prozeßgeschwindigkeit von 500 mm/s möglich. Bei einem Papierglanz von 9, gemessen mit einem Glanzmessgerät der Fa. Byk-Gardner Type 4520 in einem Winkel von 60°, wurde ein Glanz der mit Toner be­ aufschlagten Flächen von bis zu 12.3 erzielt wobei der größte Wert bei den hohen Flächendeckungen erzielt wurde.

Beispiel 3

Analog zu Beispiel 2 wurden 10%-290% Toner-Flächen auf Magnostar- Papier, einem beschichteten Papier für hochqualitativem Digitaldruck, mit einem Flä­ chengewicht von 300 g/m² fixiert. Bei einem Papierglanz von 35 gemessen in einem Winkel von 60° wurde ein Glanz der mit Toner beaufschlagten Flächen von bis zu 37 erzielt wobei der größte Wert bei den hohen Flächendeckungen oberhalb 100% erzielt wurde.

Die beiden anderen Toner aus dem Stand der Technik zeigen wesentlich flachere Funktionalverläufe von G' mit G'-Verhältnissen von 1.9E-03 bzw. 2.2E-05. Die Fixie­ rungsverhältnisse des erfindungsgemäßen Toners konnten bei diesen bekannten To­ nern weder mit Fixierung in einem geheitzten Walzenpaar nach dem Stand der Tech­ nik noch bei Fixierung mit Mikrowellen analog Beispiel 1 und Beispiel 2 verwirklicht werden.

Vergleichsbeispiel 3a

In einem Vergleichstest mit Toner nach dem Stand der Technik und Fixierung in einer kommerziell verfügbaren Warmwalzenfixierstation konnte auf Magnostar-Papier nur ein maximaler 60°-Glanz von 30 erzielt werden, der deutlich unter dem Papierglanz von 35 liegt und keinen befriedigenden Glanzeindruck von gro­ ßen Tonerflächen bietet.

Abb. 3 zeigt schematisch und nur beispielhaft eine Perspektivansicht einer Ausfüh­ rungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Fixierung eines Tonerbil­ des, insbesondere zur Durchführung des vorgeschilderten Verfahrens.

In Abb. 3 ist ein Abschnitt eines Förderbandes 1 gezeigt, auf dem Blätter eines blatt­ förmigen Bedruckstoffes hintereinander auflegbar und transportierbar sind. Dieses Förderband 1 führt durch eine Fixiereinrichtung, die unter anderem aus zwei zueinan­ der versetzt angeordnete Resonatoren 2 und 3 besteht. Die Resonatoren weisen an geeigneter Position einen etwa 3-10 mm hohen Schlitz 4 auf, durch den das Förder­ band und der Bedruckstoff hindurch geführt werden.

Wie in der Abb. 3 angedeutet, bilden sich in den Resonatoren 2 und 3 stehende Mik­ rowellen 5 aus, von denen Feldstärkemaxima in der Ebene des Förderbandes 1 bzw. des darauf befindlichen Bedruckstoffes liegen und dadurch insbesondere den Be­ druckstoff und das darauf befindliche Tonerbild erhitzen, so daß das Tonerbild schmilzt und sich beim Erkalten außerhalb der Resonatoren 2, 3 am Bedruckstoff fixiert. Wie in der Abb. 3 erkennbar, sind die Resonatoren 2 und 3 um ein Viertel der Wellenlänge der Mikrowellen 5 zueinander versetzt angeordnet, um einen entspre­ chenden Versatz der Maxima der Mikrowelle 5 zu erzielen und den Bedruckstoff und das Tonerbild relativ gleichmäßig zu erwärmen. Dazu ist anzumerken, daß die im fol­ genden mit λ bezeichnete Wellenlänge dieser stehenden Mikrowelle 5, die dem Ver­ lauf des Energieeintrages in den Bedruckstoff entspricht, nur der halben Wellenlänge der ursprünglich durch einen Hohlleiter eingespeisten freien Mikrowelle entspricht.

Zur Ausbildung des Mikrowellenfeldes werden die Resonatoren 2 und 3 über als Linien skizzenhaft dargestellte Hohlleiter mit einem geeigneten System Mikrowellener­ zeugung 6 verbunden. Das Förderband 1 und der darauf befindliche Bedruckstoff be­ wegen sich in Richtung des Pfeiles 7 durch die Resonatoren 2, 3, und zwar beispiels­ weise mit einer Geschwindigkeit von bis zu einem Meter pro Sekunde.

Die Streustrahlung die aus der Durchlaßöffnung der Resonatoren austritt, läßt sich durch den Aufbau einer sogenannten Chokestruktur und/oder durch Verwendung von absorbierenden Materialien außerhalb des Resonators verringern.

Abb. 4 veranschaulicht schematisch eine bevorzugte Aufeinanderfolge von Re­ sonatoren 8 bis 11 in einer Draufsicht auf das Förderband 1, auf dem ein Substrat bzw. ein Bedruckstoff in Förderrichtung 7 befördert wird.

In Abb. 4 sind beispielhaft vier Resonatoren 8 bis 11 in Förderrrichtung 7 hintereinan­ der angeordnet. Allgemein könnten N Resonatoren auf diese Weise hintereinander angeordnet werden. In den Resonatoren werden stehende Mikrowellen einer Wellen­ länge λ erzeugt. Der jeweilige Wellenverlauf führt zu Bereichen unterschiedlicher Feldstärke in der Ebene des Förderbandes 1 bzw. des Bedruckstoffes, die in den Be­ reichen der Resonatoren 8 bis 11 in Abb. 4 mit umrahmten Feldern angedeutet und symbolisiert sind. Natürlich ist der Feldstärkeverlauf an sich kontinuierlich. Insbeson­ dere sind die Gebiete der jeweiligen Feldstärkemaxima in Bereichen 12 angedeutet. Daraus ist erkennbar, daß diese Maximabereiche 12 aufeinanderfolgender Resonato­ ren 8 bis 11 zueinander in Querrichtung zur Förderrichtung 7 versetzt sind, und zwar im Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 4 jeweils um λ/8 zueinander versetzt, was im all­ gemeinen Fall bei N Resonatoren einem Versatz von jeweils λ/2N entspricht, wobei im vorliegenden Falle N = 4 ist.

Anhand von Abb. 5 wird deutlich, daß die versetzte Anordnung der stehenden Mikro­ wellen bzw. der Feldstärkeverläufe in den Resonatoren 8 bis 11 gemäß Abb. 4 mit Vorteil zu einer besonders gleichmäßigen Erhitzung des Bedruckstoffes führt.

In Abb. 5 sind nämlich Temperaturverläufe des Bedruckstoffes über die Breite des Be­ druckstoffes (zerlegt bzw. gemessenen in Pixeln) in °C aufgetragen, und zwar bei nur einem eingeschalteten Resonator 8, bei einer Kombination der Resonatoren 8 + 9, bei einer Kombination der Resonatoren 8 + 9 + 10 und bei einem Betrieb aller Resona­ toren 8 + 9 + 10 + 11. Der letzte zugeordnete Temperaturverlauf ist erkennbar gleich­ mäßig über die Substratbreite bei etwa 100°C gegeben.

Abb. 6 zeigt entsprechend der Abb. 4 ein andere bevorzugte Möglichkeit der Anordung in Förderrichtung hinteinander folgender Resonatoren 13 bis 16. Wieder sind die Be­ reiche der Feldstärkemaxima in der Ebene des Bedruckstoffes mit 12 bezeichnet.

Wie in Abb. 6 zu erkennen ist, sind hier die Resonatoren 13, 14 und 15, 16 in zwei auf­ einanderfolgende Gruppen mit je zwei Resonatoren aufgeteilt. Allgemein könnten Re­ sonatoren in N/2 Gruppen aufgeteilt werden. Innerhalb jeder Gruppe sind die Feldstärkemaxima 12 um λ/N versetzt zueinander, also hier bei N = 4 um λ/4. Zudem sind aber auch die Feldstärkemaxima der Resonatoren der Gruppen zueinander versetzt, und zwar in der Weise, daß sich insgesamt in Förderrichtung 7 Feldstärke­ maxima 12 ergeben die jeweils wiederum um λ/2N, bzw. hier um λ/8, zueinander versetzt sind. Im Ergebnis resultiert auch daraus ein Temperaturverlauf wie in Abb. 5 bei Einschaltung aller Resonatoren 13 bis 16.

Die Anordnung der Resonatoren ist nicht auf die in Abb. 3-6 gezeigt rechtwinklige An­ ordnung begrenzt. Bei einer zur Transportrichtung 7 des Bedruckstoffes schrägen An­ ordnung ergibt sich eine gleichmäßigere Erwärmung des Bedruckstoffes bei allerdings vergrößertem Platzbedarf.

Claims (29)

1. Verfahren zur Fixierung von Toner auf einem Bedruckstoff, insbesondere einem blattförmigen Bedruckstoff, vorzugsweise für eine digitale Druckmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Toner aufweisende Bedruckstoff mit Mikrowellen aus wenigstens einem Mikrowellensender bestrahlt und für das Schmelzen des Toners erhitzt wird und daß ein Toner verwendet wird, der einen starken Abfall des elasti­ schen Moduls G' von seinem festen zu seinem flüssigen Zustand beim Er­ hitzen zeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Wertes des elastischen Moduls G' bei dem Referenztemperaturwert, er­ rechnet aus der Anfangstemperatur beim Beginn des Glasübergangs des To­ ners plus 50°C, zu dem Wert des elastischen Moduls bei der Anfangstempe­ ratur < 10^-5, bevorzugt < 10^-7 beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übergang des Toners von seinem festen in seinen flüssigen Zustand in einem Temperaturintervall von etwa 50°C oder kleiner stattfindet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das genannte Temperaturintervall des Zustandswechsels des Toners oberhalb 60°C, bevor­ zugt im Bereich von etwa 75°C bis etwa 125°C erstreckt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein physikalischer Verfahrensparameter in Abhängigkeit von einem mit dem Energieeintrag in den Toner aufweisenden Bedruckstoff korrelierenden Parameter gesteuert und/oder geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Mikrowellensenders in Abhängigkeit vom Energieeintrag geregelt wird, in der Weise, daß bei zu niedrigem Energieeintrag die Leistung erhöht und bei zu hohem Energieeintrag die Leistung verringert wird, um im Mittel einen im we­ sentlichen konstanten, sachgerechten Energieeintrag zu erhalten.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwin­ digkeit der Bewegung des Bedruckstoffes durch einen mit den Mikrowellen bestrahlten Bereich in Abhängigkeit vom Energieeintrag geregelt wird, in der Weise, daß bei zu niedrigem Energieeintrag der Bedruckstoff mit einer gering­ eren Geschwindigkeit fixiert wird und bei zu hohem Energieeintrag der Be­ druckstoff mit einer höheren Geschwindigkeit fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellen­ sender in Abhängigkeit vom Energieeintrag abgestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als mit dem Energieeintrag korrelierender Parameter die Temperatur des Bedruck­ stoffes genommen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als mit dem Energieeintrag korrelierender Parameter der Wirkungsgrad des Energieeintrags genommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als mit dem Energieeintrag korrelierender Parameter die reflektierte Leistung oder Energie des teilweise oder ganz einen Bedruckstoff enthaltenden Resonators gemes­ sen wird und mit der durch den Mikrowellensender abgegebenen Leistung ver­ glichen wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Resonator für die Mikrowellen verwendet wird, der teilweise oder insgesamt mit einer Bewegungskomponente senkrecht zur Transportrichtung des Bedruckstoffes, der durch den mit Mikrowellen bestrahlten Bereich bewegt wird, oszilliert.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Mikrowellenfrequenzbereich von 100 MHz bis 100 GHz außerhalb der freigegebenen ISM-Frequenzen eine Frequenz ausgewählt wird, bei der der Anteil der Absorption der Mikrowellenenergie durch den Toner ge­ messen an der Gesamtabsorption zugunsten einer höheren Absorption des Toners gewählt ist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß farbiger Toner verwendet wird.

15. Einrichtung zur Fixierung von Toner auf einem Bedruckstoff, insbesondere einem blattförmigen Bedruckstoff, vorzugsweise für eine digitale Druckmaschine, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung und Erhitzung des einen starken Abfall des elastischen Moduls G' von seinem festen zu seinem flüssigen Zustand bei seinem Erhitzen zeigenden Toners wenigstens ein Mikrowellen abgebender Sender vorgesehen ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein die Bestrahlung beeinflussender physikalischer Betriebsparameter in Abhängig­ keit von einem mit dem Energieeintrag in die Toner-Bedruckstoff-Anordnung korrelierenden Parameter regelbar ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch wenigstens einen Resonator für vom Sender ausgesandte Mikrowellen.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Resonator verwendet wird und die Maxima der Resonatoren um die Mikrowellelänge l geteilt durch zweimal die Zahl der Resonatoren gegeneinander versetzt sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Resonator verwendet wird und die Maxima der jeweils folgenden Reso­ natoren um Mikrowellenlänge λ geteilt durch zweimal die Zahl der Resonatoren gegenüber dem vorigen versetzt sind.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Resonatoren verwendet werden und die Maxima der jeweils folgenden Resonatoren um λ geteilt durch zweimal die Zahl der Resonatoren gegenüber dem vorigen gleichgerichtet versetzt sind.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl von mehr als zwei Resonatoren verwendet wird und die Resonatoren in N/2 Gruppen von jeweils N/2 mit um λ/N, mit N als Zahl der Resonatoren und λ der Mikrowellenlänge, gegeneinander versetzten Mikroewellenfeldstärkemaxi­ ma eingeteilt sind und die Gruppen oder die Resonatoren insgesamt zueinan­ der um λ/2N versetzt sind.

22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption des Bedruckstoffes in den folgenden Resonatoren bei ein­ geschalteten vorherigen Resonatoren optimierbar ist.

23. Einrichtung nach Anspruch 17 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Re­ sonator insgesamt oder ein Teil von ihm oszillierend bewegbar ist.

24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Resonators entlang des Weges des Bedruckstoffes so gering wie möglich gewählt ist, um die Handhabung des Bedruckstoffes zu vereinfachen und groß genug gewählt ist, um das elektrische Feld im Reso­ nator unterhalb der Luft-Durchbruchspannung zu halten.

25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Resonators in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Bedruckstoffes und/oder der eingestrahlten Mikrowellenleistung des Reso­ nators gewählt ist.

26. Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Breite von etwa 1 bis etwa 10 cm aufweist.

27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Mehrfarbendruckmaschine vorgesehen ist oder Bestandteil einer solchen Mehrfarbendruckmaschine ist, die nach einem elektrofotogr­ aphischen Druckverfahren arbeitet.

28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Verringerung der Streustrahlung ergriffen werden.

29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Resonatoren von 90° gegenüber dem Papierpfad abweicht.