-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von Toner auf einem
Substrat, bei dem eine Fixiereinrichtung, vorzugsweise umfassend
eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze, verwendet wird,
um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur
zu erhitzen, wobei der Fixiervorgang um eine Mikrowellenanwendung
ergänzt
ist.
-
Des
weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fixieren von
Toner auf einem Substrat, umfassend eine Fixiereinrichtung, vorzugsweise
mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze, um den
Toner auf eine Temperatur größer oder
gleich seiner Glasübergangstemperatur
zu erhitzen, umfassend eine die Fixiereinrichtung ergänzende Heizeinrichtung,
die an wenigstens eine Mikrowellenquelle angeschlossenen ist, vorzugsweise
zur Durchführung
des vorgenannten Verfahrens.
-
Beim
elektrostatischen bzw. elektrofotographischen Drucken wird ein latentes
elektrostatisches Bild mit geladenen Tonerpartikeln auf einer Bebilderungstrommel
entwickelt und auf ein Substrat bzw. einen Bedruckstoff, wie insbesondere
Papier in Form von Bögen
oder in Form eines fortlaufenden Bandes, übertragen. Dabei werden zum
Beispiel beim Vierfarbdruck vier latente Bilder in den vier Farbauszügen Cyan,
Magenta, Gelb und Schwarz nacheinander und übereinander auf das Substrat übertragen.
Insbesondere das fertige einfarbige oder mehrfarbige latente Bild
wird dann mittels einer Fixiereinrichtung auf dem Substrat fixiert.
Dies geschieht üblicherweise
mittels einer erwärmbaren
Fixierwalze, die auf dem Tonerbild abgerollt wird und dabei den
Toner bis oberhalb seiner Glasübergangstemperatur
erhitzt, also schmilzt, und gleichzeitig unter Druckbeaufschlagung
in das Substrat einarbeitet, an dem es nach seiner Abkühlung fixiert
ist. Dabei verbinden sich einander benachbarte Tonerpartikel und
bilden letztlich eine Polymerschicht auf und an dem Substrat.
-
Ein
Problem kann bei dem geschilderten Vorgehen auftreten, wenn eine
größere Anzahl
von Druckvorgängen
in einer bestimmten Zeiteinheit durchgeführt werden soll, das Verfahren
also beschleunigt werden soll. Dann kann sich nämlich der Fixiervorgang als
geschwindigkeitsbegrenzender Faktor des Druckverfahrens erweisen,
weil er nicht linear beschleunigt werden kann.
-
Soll
der Fixiervorgang beschleunigt werden, könnte daran gedacht werden,
die Temperatur der Fixierrolle zu erhöhen und/oder den Fixierbereich
zwischen der Fixierwalze und einer Gegendruckrolle in Substrattransportrichtung
zu vergrößern.
-
Eine
Erhöhung
der Temperatur führt
aber zu einer reduzierten Lebensdauer der Fixierwalze, insbesondere
ihrer Beschichtung bzw. Ummantelung. Zudem wird beim Fixieren mit
einer Fixierwalze ein Silikonöl
als Trennmittel genutzt, um zu verhindern, daß Toner an der Fixierwalze
haftet und nachfolgende Druckvorgänge beeinträchtigt. Auch dieses Öl muß häufiger nachgefüllt werden
und wird in seinem Verbrauch erhöht,
wobei zusätzlich
die Gefahr besteht, daß es
auf Transporteinrichtungen haftet, diese beschmutzt und weitergetragen wird,
so daß auch
dieses Öl
nachfolgende Druckvorgänge
beeinträchtigen
kann.
-
Soll
der Fixierbereich vergrößert werden,
kann dies im Prinzip auf zweierlei Weise geschehen, indem der Druck
zwischen Fixierwalze und Gegendruckrolle vergrößert wird und dadurch ein größerer abgeplatteter Bereich
entsteht, oder, indem eine Fixierwalze mit einem größeren Durchmesser
verwendet wird. Durch einen größeren Druck
kann wiederum die Lebensdauer der Fixierwalze, insbesondere ihrer
Beschichtung, verringert werden, und es kann zu Beschädigungen,
insbesondere zu Zerknitterungen, des Substrates kommen. Wird der
Durchmesser der Fixierwalze vergrößert, kann es leichter zu Substratstaus
kommen. Außerdem
werden dadurch die Baukosten und die Baugröße problematisch.
-
Die
JP 58010768 A offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem bzw. bei der eine Vorerwärmung des
Toners vor der eigentlichen Fixierung erfolgt, und zwar indirekt
mittels Mikrowellen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für eine Geschwindigkeitserhöhung, den
Fixiervorgang bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der eingangs
genannten Gattung mit vertrauenswürdiger, bewährter Technik, vorzugsweise
unter Nutzung einer Fixierwalze, verläßlich durchzuführen, und
dabei den Tonerglanz, insbesondere dessen Feinregulierung, als Druckqualitätsparameter
berücksichtigen
zu können.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verfahrenshinsicht
dadurch gelöst,
daß die
Mikrowellenanwendung als zeitlich dem Fixiervorgang nachgeschalteter,
ergänzender
Heizvorgang berührungslos
erfolgt und durchgeführt
wird.
-
Durch
den erfindungsgemäßen, berührungslosen
ergänzenden
Heizvorgang wird der übrige
Fixiervorgang insbesondere zeitlich entlastet und auch im Hinblick
auf die Gefahr von Substratstaus, ohne daß die Probleme verlagert würden.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ergänzung des
Fixierens durch einen berührungslos
erfolgenden Heizvorgang können
mit Vorteil Probleme vermieden werden, die bei zusätzlicher
Kontaktfixierung insbesondere beim sogenannten Duplex-Drucken, dem beidseitigen
Bedrucken eines Substrates im Schön- und Widerdruck, auftreten
könnten,
weil insbesondere ein schon auf einer ersten Seite (Unterseite)
des Substrates fixiertes Druckbild erneut aufgeweicht und verschmiert
werden könnte,
zumal ein Gegendruckelement gerade an dieser Unterseite anliegen
müßte. Dagegen
kann bei der erfindungsgemäß berührungslos
erfolgenden, ergänzenden Aufheizung
eine relativ hohe Temperatur präzise
und konstant eingestellt werden und das Substrat kann gegebenenfalls
sogar "schwebend", beispielsweise
auf einem Luftpolster, transportiert werden, ohne daß Tonerverschmierungen
dadurch verursacht werden.
-
Die
ergänzende
Aufheizung erfolgt erfindungsgemäß durch
eine zeitlich dem Fixiervorgang nachgeschaltete Mikrowellenanwendung.
Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere auf Substratbögen
oder (kontinuierlich) auf Substratbänder angewendet werden. Als
eigentlicher Fixierschritt kommt prinzipiell die Anwendung einer
beliebigen Technik in Betracht, also beispielsweise eine berührungslose
Fixierung durch Infrarot-Bestrahlung, Blitzlicht-Bestrahlung oder dergleichen, oder mit
Berührung
durch ein Band oder eine Fixierwalze oder dergleichen.
-
Die
erfindungsgemäß bevorzugte
Kombination einer Fixierwalze mit einer Mikrowellenanwendung hat aber
besondere Vorteile. Einerseits wird durch die Mikrowellenanwendung
die Fixierwalze entlastet, so daß auch bei höheren Geschwindigkeiten
eine Fixierwalze verwendet werden kann, die im Hinblick auf eine
Vermeidung von Substratstaus und -beschädigungen einen gewohnt relativ
kleinen Durchmesser und eine übliche Temperatur,
von beispielsweise etwa 160°C,
beibehalten kann. Andererseits sorgt die Fixierwalze unter Druckbeaufschlagung
für eine
verläßliche Fixierung
in Ergänzung
der Mikrowellenanwendung. Beispielsweise ist bei Verwendung allein
einer Fixierwalze die Möglichkeit
sehr begrenzt, den Glanz des Druckbildes beim Fixieren positiv zu
beeinflussen. Dies kann in gewissem Maße durch eine Veränderung
der Fixierwalzentemperatur geschehen, jedoch sind einer solchen
Temperaturveränderung
durch den sogenannten "Cold
offset" und den "Hot offset" enge Grenzen gesetzt.
Dieser jeweilige "offset" bedeutet bei zu
hoher oder zu niedriger Temperatur jeweils ein Anhaften von Tonerresten
an der Fixierwalze, die weitergetragen und nachfolgende Drucke beeinträchtigen
können,
und zwar trotz einer üblichen
Verwendung eines Silikonöls
als Trennmittel auf der Fixierwalzenoberfläche zur Vermeidung solcher
Anhaftungen. Demgegenüber
ist bei einer reinen Mikrowellenanwendung der optimale Fixierbereich
(Fusingfenster) zwischen einem nicht gleichmäßigen Glanz und Blasenbildung
des Toners auf dem Substrat sehr eng, insbesondere bei der Verwendung
glänzend
beschichteten Papieres als Substrat. Die angesprochene Kombination
bietet also besondere Vorteile bei dem das "Ganze mehr ist als die Summe seiner
Teile", insbesondere
was die Möglichkeiten
betrifft, auch weitere Druckqualitätsparameter, wie zum Beispiel
Tonerglanz, zu berücksichtigen.
-
Es
kommt erfindungsgemäß in Betracht,
laufende Mikrowellen zu verwenden, jedoch bevorzugt sieht das erfindungsgemäße Verfahren
vor, daß resonante
bzw. stehende Mikrowellen Anwendung finden. Hierbei kann durch die
Auswahl und/ oder Abstimmung der Resonatoren sehr zielgerichtet und
bedarfsgerecht gearbeitet werden und insbesondere verschiedenen
Druckqualitätsmerkmalen
Rechnung getragen werden, wie auch im weiteren noch dargelegt werden
wird.
-
Um
einen besseren Energieeintrag zu erzielen, kann das Substrat vor
der Mikrowellenbeaufschlagung angefeuchtet werden. Dies kann beispielsweise
mit 100°C
heißem
Wasserdampf geschehen. Dabei kann das Substrat vorzugsweise beidseitig
angefeuchtet werden, um Spannungen und Biegungen des Substrates
zu vermeiden. Zudem wird durch Kondensationswärme das Toner tragende Substrat
bereits erwärmt.
-
Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens könnte vorsehen,
daß ein
Transportmittel, z. B. ein Saugband oder ein elektrostatisches Transportband,
zum Transport des Substrates beim Fixiervorgang auf eine konstante
Temperatur von vorzugsweise etwa 40°C temperiert wird.
-
Zur
Energieersparnis bzw. für
einen hohen Wirkungsgrad können
eine Abwärme
oder Energieabfälle im
weitesten Sinne für
die Erwärmung
genutzt oder mitgenutzt werden. Zum Beispiel kann Abwärme oder
ein Energieabfall von einem Magnetron, einem Zirkulator oder von
einer Wasserlast genutzt werden. Damit kann beispielsweise Spülluft erwärmt werden.
-
An
ein Magnetron können
Abstände überbrückende bzw.
vermeidende Wellenleiter hin zum Applikator verwendet werden. Gegen
Leckstrahlung im Bereich des Applikators kann an Materialspalten
eine sogenannte Choke-Struktur mit lippenartigen Vorsprüngen vorgesehen
sein. Auch kann absorbierendes Material an der Außenseite
des Applikators verwendet werden.
-
Für eine Vorrichtung
zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend eine Fixiereinrichtung, vorzugsweise
mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze, um den
Toner auf eine Temperatur größer oder
gleich seiner Glasübergangstemperatur
zu erhitzen, umfassend eine die Fixiereinrichtung ergänzende Heizeinrichtung,
die an wenigstens eine Mikrowellenquelle an geschlossenen ist, vorzugsweise
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die sich erfindungsgemäß dadurch
auszeichnet, daß die ergänzende,
einen berührungslosen
Heizvorgang durchführende
Heizeinrichtung in der Fixiereinrichtung ausgangsseitig angeordnet
ist wird selbständiger
Schutz beansprucht. Die sich dadurch ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert worden.
-
Es
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
die Mikrowellenanwendung dem anderen Fixiervorgang zeitlich nachzuschalten,
weil beispielsweise dann eine bessere Feinregulierung des Tonerglanzes
möglich
ist und insgesamt sich die Mikrowellenanwendung besser für eine Nachbearbeitung
eignet als die Fixierwalze, wie im Nachfolgenden auch noch anhand
eines Anwendungsbeispiels näher
erläutert
werden wird.
-
Dabei
kann die ergänzende
Heizeinrichtung vorzugsweise wenigstens einen Mikrowellenresonator
zur Erzeugung stehender Mikrowellen umfassen. Es können insbesondere
mehrere Resonatoren mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Substrattransportrichtung
hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt
zueinander angeordnet sein, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung über die
Breite des Substrates zu erzielen. Es können aber beispielsweise auch
Resonatoren, zum Beispiel zueinander gestaffelt, angeordnet sein,
die lotrecht durch das Substrat verlaufende Mikrowellen ausbilden.
-
Eine
prinzipielle Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise
auf eine Kombination eine Mikrowellenfixierung und eine Fixierung
mit einer Fixierwalze konzipiert sein, bei der wenigstens ein Transportmittel
das Substrat in und ggfls. durch die Fixiereinrichtung transportiert,
wonach eine Abkühlungsstrecke
für das
Toner tragende Substrat folgt, um eine Abkühlung des Toners wieder unter
seine Glasübergangstemperatur
zu erreichen. Dabei können
für die
Mikrowellenanwendung alle bekannten Arten von ein oder mehreren
Mikrowellenapplikatoren zur Erzeugung resonanter oder nicht-resonanter
Mikrowellen für
die Fixierung verwendet werden.
-
Die
Vorrichtung kann zudem leicht zu öffnen, beispielsweise klammerartig,
ausgebildet sein, um im Falle eines Substratstaus den Substratweg
für eine
Beseitigung dieses Staus zugänglich
zu machen.
-
Für eine resonante
Mikrowellenerzeugung wird üblicherweise
ein kontaktierender oder nicht-kontaktierender Tauchkolben (plunger)
zur Abstimmung des Mikrowellenapplikators verwendet. Bei einer genauen Bestimmung
der Applikatorgeometrie ist ein solcher plunger oder ein tuner nicht
notwendig. Der plunger kann durch eine definiert plazierte Endwand
ersetzt werden und der tuner kann durch fixe Metallstummel und/oder durch
Blöcke
aus Polytetrafluoräthylen
in einem Wellenleiter zur Einstellung der Länge des Wellenleiters zwischen
der Mikrowellenquelle und der Apertur ersetzt werden. Die Apertur,
welche die Resonzkammer definiert, kann eine beliebige Form, insbesondere
eine rechtwinkelige oder sphärische
bzw. gebogene Form haben.
-
Im
Falle insbesondere der Verwendung eines TE10N-Resonators kann die
Wellenlänge
im Resonator, das heißt
der Abstand der Maxima, durch die Weite des Resonators senkrecht
zur Ebene des Substrates optimiert werden. Bei einer Weite von beispw.
94 mm beträgt
der Abstand der Maxima 84 mm. Bei einer Weite von beispw. 109 mm
beträgt
der Abstand der Maxima nur 73 mm. Damit kann insbesondere die Gleichmäßigkeit
der Erwärmung
des Substrates über
seine Breite optimiert werden.
-
Die
Höhe eines
Resonators in Substrattransportrichtung wird optimiert, um eine
hohe elektrische Feldstärke
zu erreichen, ohne Entladungen im Applikator. Daher werden gute
Resultate erzielt mit Höhen
von beispw. 54 mm, 34 mm, 24 mm und 20 mm. Die kleineren Werte werden
für eine
höhere
elektrische Feldstärke bevorzugt.
Eine höhere
elektrische Feldstärke
erhöht
die Effizienz des Mikrowellensystems für Substrate mit niedrigeren
Verlusten, wie zum Beispiel Papier.
-
Die
Frequenzanpassung eines resonanten Applikators ist größenabhängig in
Längsrichtung.
Nach einer längeren
Betriebsdauer kann das Heizen des Applikators durch Wandverluste,
bedingt durch Oberflächenströme an der
inneren Oberfläche
des Applikators, induziert durch Mikrowellenstrahlung im Applikator,
zu einer Abstimmungsveränderung
(detuning) des resonanten Applikators führen. Zur Vermeidung dessen
wird vorgeschlagen, die frequenzbestimmenden Teile des resonanten
Applikators (Apertur und plunger) temperaturunabhängig, eventuell
temperaturstabilisiert, zueinander zu positionieren, wobei der Applikator
selbst beweglich gelagert ist, so daß die inneren Dimensionen des
resonanten Applikators sich nicht während eines kontinuierlichen
Betriebes ändern.
-
Ein
Ausführungsbeispiel,
aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf
das die Erfindung in ihrem Umfang aber nicht beschränkt ist,
ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Zusammenhang mit der
einzigen Figur näher
erläutert.
-
Die
Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kombination
aus einer Mikrowellenheizung und einer Fixierwalze 6.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Fixiereinrichtung auf, die als eine ergänzende Heizeinrichtung
zwei Resonatoren 1 und 2 umfaßt und der ein zu fixierendes
Substrat auf einem Transportband 3 in Transportrichtung 4 zugeführt wird.
Das Transportband 3 könnte
das Substrat mit Vakuum oder elektrostatisch halten.
-
Die
Resonatoren 1, 2 sind TE10N-Resonatoren, die quer
zur Transportrichtung 4 ausgerichtet sind und in Transportrichtung
hintereinander angeordnet sind, und zwar in einer Weise und in einem
Maße zueinander
querversetzt, daß die
Maxima der Mikrowelle des ersten Resonators 1 genau auf
Lücke zu
den Maxima der Mikrowelle des nachfolgenden Resonators 2 positioniert
sind. Die Temperatur, die mit den Resonatoren 1, 2 möglichst
gleichmäßig über die
Breite des Substrates dem Toner tragenden Substrat erteilt wird,
kann in der experimentellen Anordnung der 1 beim Austritt
aus den Resonatoren mit einem Linienpyrometer 5 gemessen
werden. Ist die Vorrichtung in zufriedenstellender Weise ausgemessen
und eingestellt, kann im Prinzip dieselbe Vorrichtung wie in 1,
unter Fortlassung des Pyrometers 5, auch als Einbau in
eine elektrophotographische Druckmaschine genommen werden.
-
Die
Mikrowellen-Heizeinrichtung ist der Fixierwalze 6 in Transportrichtung 4 nachgeordnet.
Diese Anordnung ermöglicht
insbesondere eine Feineinstellung des Glanzes des Toners, der zuvor
bereits durch die Fixierwalze fixiert worden ist, mit Hilfe der
nachfolgenden Mikrowellen-Heizeinrichtung.
-
Die
Fixierwalze 6, die mittels einer innerlichen Wärmequelle 7,
zum Beispiel einer Strahlungsquelle, erwärmt wird, und zwar auf eine
Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur
des Toners auf dem Substrat, ist im Querschnitt dargestellt. Im
Bereich dieser Fixierwalze 6 ist einmal schematisch ein
Toner tragendes, bogenförmiges
Substrat 9 angedeutet, das nach der Fixierung auch durch
die Resonatoren 1, 2 in Richtung des Pfeiles 10 einer
Kühlung
zugeführt
wird.
-
Die
Fixierwalze 6 wird aus einem schematisch angedeuteten Ölreservoir 8 mit
einem Silikonöl
als Trennmittel zur Vermeidung einer Anhaftung von Toner an der
Fixierwalze 6 versorgt. Als Widerlager für die das
Substrat 9 auch mit Druck beaufschlagende Fixierwalze 6 dient
eine Gegendruckrolle 11.
-
Ein
möglichst
kurzer Transportweg zwischen der Fixierwalze 6 und den
Resonatoren 1, 2, der nicht näher im Detail dargestellt ist,
und zu dessen Überbrückung auch
kein Transportmittel gezeigt ist, könnte im Prinzip eine Verlängerung
des Transportbandes 3 oder ein gleichartiges Transportband
aufweisen, das sogar temperiert werden könnte. Eine kompakte, kurzwegige
Aufeinanderfolge der beiden Heizeinrichtungen wird insbesondere
auch durch die bewußt
bevorzugt gewählte
und gezeigte Orientierung der Resonatoren quer zur Transportrichtung 4 erreicht.
-
In
einem Experiment wurde 4CC Kunstpapier mit einem spezifischen Flächengewicht
von 130 g/m
2 durch die Fixierwalze geführt, die
eine Oberflächentemperatur
von 160°C
aufwies. Die Papiertemperatur betrug am Meßpunkt des Linienpyrometers
5 gemäß
3 90°C.
Ohne zusätzliche
Aufheizung durch die Mikrowellen-Heizeinrichtung wurde gefunden,
daß eine
hundertprozentige schwarze Tonerschicht nach der Fixierung durch
die Fixierwalze
6 einen Glanz von 15 Glanzeinheiten aufwies,
gemessen in einem Winkel von 60° mit
dem miro-TRI-gloss
meter der Firma BYK Gardner. Mit einer anschließenden, zusätzlichen Heizung durch die
nachfolgende Mikrowellen-Heizeinrichtung konnte der Glanzwert hin
zu höheren
Glanzwerten signifikant verändert
werden. Es wurden die aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlichen
Werte bei steigender zusätzlicher
Heizung durch Mikrowellenanwendung und daraus resultierender höherer Papiertemperatur
erreicht und ermittelt. Tabelle:
| Papiertemperatur
[°C] gemessen nach
der Mikrowellen-Heizeinrichtung | Glanzwert
[60°] | Kommentar |
| 90 | 15,3 | Keine
Mikrowellenheizung |
| 112 | 21,2 | |
| 114 | 23,2 | |
| 117 | 24,5 | |
| 130 | 27,5 | |
-
Mit
Hilfe einer Anordnung von TE101-Resonator, die einzeln beweglich
sind, kann der Tonerglanz auch nur in einzelnen ausgewählten Bereichen
verändert
werden, sogenanntes "spot
glossing".
-
Die
Vorteile der Nachordnung einer Mikrowellen-Heizeinrichtung nach
der Fixierwalze bestehen somit insbesondere darin, daß die Fixierwalze
mit einer relativ niedrigen Temperatur knapp oberhalb des sogenannten
und bereits weiter oben erwähnten "cold-offset-Punktes" betrieben werden
kann, was die Lebensdauer der Fixierwalze erhöht, und daß in einem gewissen Maße der Glanz
des Druckbildes einstellbar ist, und zwar insbesondere unabhängig von
der Oberflächenstruktur
der Fixierwalze, die sich mit der Betriebsdauer verändern kann.
Die Fixierwalzen können
also länger
verwendet werden. Da die Fixierwalze zudem nicht in der Nähe des sogenannten
und schon erwähnten "hot-offset-Punktes" betrieben werden
muß, wird
auch weniger Silikonöl als
Trennmittel auf der Fixierwalze gebraucht und verbraucht.