DE2407278A1 - Xerographische fixiervorrichtung - Google Patents

Xerographische fixiervorrichtung

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DE2407278A1
DE2407278A1 DE19742407278 DE2407278A DE2407278A1 DE 2407278 A1 DE2407278 A1 DE 2407278A1 DE 19742407278 DE19742407278 DE 19742407278 DE 2407278 A DE2407278 A DE 2407278A DE 2407278 A1 DE2407278 A1 DE 2407278A1
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toner
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rollers
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William Frederick Slack
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Van Dyk Research Corp
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Description

9293-74/Kö/S
VDR 117
Convention Date:
February 16, 1973
Van Dyk Research Corporation, Whippany, U.J., V.St.A.
Xerqgraphisehe Fixiervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine xerographisehe !Fixiervorrichtung zivui Fixieren von xerographisehern Toner auf einem Druckblatt mit einer ersten und einer zweiten drehbaren Walze, die achsparallel so gelagert sind, daß sie an ihrem Umfang in Eingriff miteinander sind, wobei mindestens eine der beiden Walzen auf eine gewünschte Schmelztemperatur des Toners aufheizbar ist.
In der Xerographie wird ein latentes elektrostatisches Bild eines gewünschten Originalbildes oder Abbildungsmusters auf einer isolierenden Pläche dadurch erzeugt, daß man eine auf einer leitenden Unterlage angebrachte Schicht aus photoleitendem Isoliermaterial durch gleichmäßiges elektrostatisches Aufladen (typischerweise durch Koronaentladung) sensibilisiert und anschließend die aufgeladene Photoleiterschicht mit einem elektromagnetischen Strahlungsbild (gewöhnlich einem sichtbaren Lichtbild) des zu reproduzierenden Originalbildes beaufschlagt oder belichtet. Durch das elektromagnetische Strahlungsbild wird die Photoleiterschicht an den bestrahlten oder be- - lichteten Stellen entladen, so daß ein elektrostatisches ladungsbild oder -relief, das dem Muster des gewünschten Bildes entspricht, entsteht.
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Um das dem elektrostatischen Ladungsrelief entsprechende Bild sichtbar zu machen (zu "entwickeln") und zu fixieren, bringt man die Photoleiterschicht mit mikroskopischen Theimoplastteilclien in Berührung, die in Form eines feinkörnigen PulTers sein können und mit elektrostatischer Ladung von ent- . gegengesetztem Vorzeichen wie die auf den durch die einfallende elektromagnetische Strahlung nicht (oder nur teilweise) entladenen Teilen der Photoleiterschicht verbliebene Ladung versehen sind, so daß diese mikroskopischen Teilchen (gewöhnlich als "Toner" bezeichnet) nur an denjenigen Stellen haften bleiben, die eine elektrostatische Ladung behalten haben, d.h. die nicht bestrahlt worden sind.
Das dem gewünschten Bild entsprechende Bild oder Relief aus thermoplastischen Tonerteilchen wird dann entweder durch Erwärmen zum Schmelzen gebracht und dadurch auf der' Photoleiterschicht fixiert oder auf eine andere Fläche, z.B. gewöhnlichen Papier, übertragen und dort fixiert.
Eine derzeit gebräuchliche Fixiervorrichtung (USA-Patentschrift 3 291 466) arbeitet mit einer beheizten Walze, die auf einer Temperatur oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Tonermaterials gehalten wird. Das Druckblatt mit dem gewünschten Tonerbild wird in Berührung mit der beheizten tfalze gebracht, die das Tonerpulver zum Erweichen oder Schmelzen bringt und gegen das Druckblatt preßt.
Diese Fixiervorrichtung mit beheizter ¥alze arbeitet recht gut, wenn verhältnismäßig kleine Druclrpapierblätter verwendet werden, beispielsweise die üblichen Blattgrößen 21,6 χ 27,9 cm (8 1/2x11 Zoll) oder 21,6 χ 35,6 cm (8 1/2 χ 14 Zoll). Dagegen hat sich herausgestellt, daß das Papier knittert oder faltig wird, wenn man Blättex1 erheblich größerer Länge und Breite durch die Fixiervorrichtung laufen läßt.
Ss wird angenommen, daß dieser Knittereffekt, obwohl seine Ursachen noch nicht vollständig ergründet sind, hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, daß das Papier durch Verdampfen, von
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Feuchtigkeit "beim Durchlaufen der Fixiervorrichtung in seitlicher Richtung schrumpft.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde; eine mit beheizter Walze arbeitende Fixiervorrichtung dahingehend zu verbessern, daß ein Knittern oder Faltigwerden des Druckblattes ganz oder weitgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei einer serographischen Ifciervorrichtung der eingangs genannten Art erJfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Walze eine allgemein konkave Längssclinittform mit maximalem Durchmesser an den beiden Enden und minimalem Durchmesser in der Mitte hat.
Die Erfindung wird nachstellend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Darstellung einer Fixiervorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit Veransehaulichung des Rnittereffekts;
Figur 2a und 2b eine Querschnittsdarstellung bzw. Seitenansicht einer Fixiervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 3 und 4 Darstellungen, die das theoretische Wirkuhgs-"prinzip der Erfindung veranschaulichen.
In !Figur 1 trägt das Papierblatt 10 ein Bild aus trockenen xerographischen Thermoplast-Tonerteilchen 11, die elektrostatisch am Papierblatt 10 haften und In einem dem Bild einer gewünschten Kopie entsprechenden Muster oder Relief angeordnet sind. Die Tonerteilchen 11 sind mittels eine3 geeigneten xerographischen Apparates (nicht gezeigt) bekannter Art im gewünschten Relief aufgebracht worden.
Die Fixiervorrichtung nach Figur 1 besteht aus einer verhältnismäßig starren, beheizten oberen Schiaelswalze 12 und einer verhältnismäßig nachgiebigen, unbeheizten unteren Druckwalze 13. Die Walzen 12 und 13 sind mit Ihren Längsachsen parallel zueinander in einem solchen gegenseitigen Abstand an-
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— η. —
geordnet, daß die Schmelzwalze 12 die Druckwalze 13 am Umfangerfaßt vnö geringfügig deformiert. Ein im Inneren angebrachtea Heizelement hält die Schmelzwalze 12 ar> ihrer Oberfläche ev.f. einer Temperatur (typischerweise ungefähr 150 bis 205° C = 300 bis 4-00 E) oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes der Tonerteilchen 11".
Das auf einem geeigneten Förderband (nicht gezeigt) angelieferte Papierblatt 10 läuft in Richtung des Pfeiles 14 zwischen der Schmelzwalze 12 und der Druckwalze 13 hindurch. Bein Durchlaufen der Walzen wird das Papierblatt 10 auf der mit den Tonerteilchen bedeckten Seite von der beheizten Schmelzwalze 12 erfaßt, so daß die Tonerteilchen 11 mit dem Papierblatt 10 verschmolzen und dadurch fixiert werden. Um zu verhindern, daß Tonerteilchen an den !falzen 12 und 13 heften bleiben, sind die Walzen auf ihrer Außenseite vorzugsv/eise mit einem geeigneten klebfreien Material niedriger freier Oberfläclienenergie, wie Po Iy te tr af luo räthylen, be s chi elite t.
Während verhältnismäßig kleine Papierblatter 10 mit Abmessungen in der Größenordnung von 21,6 cm Breite (gemessen in Richtung senkrecht zum Pfeil 14) mal 27,9 oder 35>6 cm Länge (gemessen in Richtung des Pfeiles 14) zwischen den Walzen 12 und 13 mit nur geringer oder gar keiner Verwerfung oder Knitterung durchlaufen, wurde festgestellt, daß etwas größere Blätter, beispielsweise solche mit 35,6 cm Breite und 43,2 cm Länge, beim Durchlaufen zwischen den Walzen 12 und 13 stark zerknittert werden.
Diese Knitterwirkung macht sich durch lange Knitterfalten 15 bemerkbar, die in Richtung des Papiertransports, d.h. in Richtung des Pfeiles 14, verlaufen. Die Knitterfalten 15 sind anfangs schmal und erweitern sich allmählich mit zunehmender länge des zwischen den Walzen 12 und 13 hindurchlaufenden Papierteils. Versuche, durch Verwendung unterschiedlicher Papierarten für das Papierblatt 10 das Auftreten der Knitterfalten 15 mit Zuverlässigkeit ganz oder weitgehend zu vermei-
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den, waren erfolglos.
Dagegen verschwinden die Knitterfalten 15, wenn man anstelle der bekannten Fixiervorrichtung nach Figur 1 die erfindungsgemäße Fixiervorrichtung nach Figur 2 verwendet, und zwar auch bei Verarbeitung von Papierblättern mit 35,6 cm Breite und 45,2 cm Länge.'
Der Hauptuntersohied zwischen der Fixiervorrichtung nach Figur 2 und der nach Figur 1 besteht darin, daß anstelle der zylindrischen Schmelzwalze 12 nach Figur 1 eine konkave Schmelzwalze 16 verwendet wird.
Wie in Figur 2a gezeigt, hat die erfindungsgemäße Schmelzwalze 16 einen allgemein zylindrischen, hohlen Metallkern 17 aus einem geeigneten wärmeleitenden Material wie Kupfer. Auf seiner Außenseite hat der Kupferzylinder 17 eine sandgestrahlte, mit einer ITi ekel schicht 18. platierte Oberfläche. Die nicke1-platierte Oberfläche des Zylinders 18 ist mit einem Außenbelag 19 aus Polytetrafluoräthylen beschichtet.
Typischerweise betragen die Dicke des Kupferzylinders 17, der Uickelschicht 18 und der Außenhülle 19 ungefähr 6,35 rnm (0,250), 0,0127 mm (0,0005) bzw. 0,051 mm (0,002 Zoll).
Um die Schmelzwalze 16 auf die gewünschte Schmelz- oder Fixiertemperatur des xerographischen Toners aufzuheizen, ist im Inneren der hohlen Schnielzwalze 16 in Bereich ihrer Längsachse 21 ein Strahlungsheizelement 20, vorzugsweise in Form einer Infrarot-Quarzlampe, angeordnet.
Die Schmelzwalze 16 hat kreisförmigen Querschnitt. Jedoch verjüngt oder verkleinert sich ihr Durchmesser in Längsrichtung, so daß die Schmelzwalze 16, wie in Figur 2b gezeigt, in Seitenansicht oder im Längsschnitt allgemein konkave Form hat, und zwar mit maximalem Durchmesser d., an den beiden Enden und mit minimalem Durchmesser do in der Mitte. Vorzugsweise ist die Einsehrägung oder Verjüngung der Längsschnittform der Schmelzwalze 16 zwischen den beiden Enden und der Mitte linear.
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- D —
Obwohl Versuche mit verschiedenen gekrümmten Längsschnitt-Profilverjüngungen durchgeführt wurden, wird angenommen, daß die lineare Verjüngung oder Einschrägung des Profils optimale ■ Resultate ergibt. Außerdem ist eine Walze mit einen derartigen linearen Profil einfacher und wirtschaftlicher herzustellen als eine Walze mit gekrümmtem Profil.
Typischerweise kann die Schmelzwalze 16 eine Länge L von ungefähr 38,1 cm (15 Zoll), einen naximalen Durchmesser d1 von ungefähr 5,994 cm (2,36 Zoll) und einen minimalen Durchmesser d2 von ungefähr 5,975 cm (2,3525 Zoll) haben, so daß die Differenz zwischen d^ und d2 gleich 0,019 cm (0,0075 Zoll) ist, was einer linearen Verjüngung oder Durchmesserverringerung von 0,001 cm pro cm Länge entspricht.
Es ist sehr erwünscht, daß die Verjüngung oder Durchmesserverringerung der Schmelzwalze 16 symmetrisch zui' ΐ/alzenmitte (Längsmitte) ist, da eine etwaige Asjoniaetrie in der Durchmesserverringerung zur Folge hat, daß die hindurchlaufenden Papierblätter dazu neigen, eich nach der einen oder arideren Seite zu verschieben.
Feben der verhältnismäßig starren oder steifen Schmelzwalze 16 ist eine verhältnismäßig nachgiebige Druckwalze 22 mit einem solchen parallelen Abstand ihrer Längsachse 23 von der Längsachse 21 der Schmelswalze 16 angeordnet, daß die beiden Walzen 16 und 22 sich an ihrem Umfang über ihre gesamte Länge berühren. Da die Schmelzwalze 16 eiii allgemein konkaves Längsproffl. hat, muß die Druckwalze 22 an ihren Enden stärker deformiert werden als in ihrer Mitte, damit eine volle Linienberührung zwischen den beiden Walzen sichergestellt ist.
Vorzugsweise besteht die Druckwalze 22 aus einem Iietallkern 24, vorzugsweise aus Stahl, der von einem Sjrlinder 25 aus einem elastomeren Material wie Silikonkautschuk und einem äiißeren Mantel 26 aus Polytetrafluorethylen umgeben ist. Typischerweise können der Durchmesser des Stahlkerns 24 ungefähr 6,99 cn (2,75 Zoll), der Durchmesser des Silikonsylinders
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25 ungefähr 8,89 cm (3,5G Zoll) und die Dicke des Außenmantels 2.6 ungefähr 0,051 cn (0,20 Zoll) betragen.
DaTnit eine ausreichende Wärmeübertragung von der Schmelzwalse 16 auf das in Richtung des Pfeiles 27 zwischen den Waisen 16 und 22 hindurchlaufende Papierblatt 39 erzielt wird, um den auf der (von der beheizten Schmelzwalze 16 erfaßten) Papier oberfläche befindlichen Xerographieehen Toner einwandfrei zu schmelzen und zu fixieren, sollte die Druckwalze 22 vorzugsweise so deformiert werden, daß die länge "a" des Berührungsbereiches der Umfangsränder der Walzen 16 und 22 ungefähr 0,76. CH (0,3 Zoll) beträgt.
Bei der Schmelswalze 16 und der Druckwalze 22 ist ein Papiertransportiuechanisnus 28 von bekannter Bauart mit einem endlosen porösen Band 29 angeordnet, das in G-egenuhrzeigerrichtung um Rollen oder Walzen 30 läuft, so dai3 seine Oberfläche sich in Richtung des Pfeiles 27 bewegt. Die Papierblätter mit Tonerteilchen auf ihrer Oberseite werden durch Unterdruck, der durch ständiges Absaugen von Luft aus dem Inneren des Förderbandes 29 durch eine geeignete Vakuuruquelle (nicht gezeigt) erzeugt wird, in Berührung mit dem oberen Teil des Förderbandes 29 gehalten. Durch das laufende Förderband v/erden die Papierblätter 39 dann in den Bereich der Berührung zwischen den Walzen 16 und 22 transportiert, wc sie von den Waisen 16 und 22 erfaßt und aufgrund von Reibungskontakt mit der Schmelz- und äex Druckwalze, die in Richtung der Pfeile und 32 um ihre Längsachsen 21 bzw. 23 drehbar sind, durch die Fixiervorrichtung hindurchgeführt v/erden.
Zwar ist der genaue G-rund, weshalb mit der Fixiervorrichtung nach Figur 2 verhältnismäßig breite und lange Papierblätter ohne Knittern oder Faltenbildung fixiert werden können, noch nicht bekannt; jedoch wird angenommen, daß aufgrund des konkaven Profils der Schmelzwalze 16 das Papierblatt eine seitwärts nach außen gerichtete Beanspruchung erfährt, se daß das Papier effektiv gespannt wird und in seitlicher Richtung gleichmäßig schrumpfen kann. In Figur 3 und 4 ist veranschau-
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licht, wie aufgrund der konkaven Ausbildung der Schmelzwalze 16 dieses Resultat vermutlich sustandekommt.
Figur 3a und 3b zeigen in Seiten- bzw. Stirnansicht eine Walze 33 mit konvexem Profil. Ein über eine solche konvexe Walze laufendes Band ist bekanntlich bestrebt, sich auf der Walze au zentrieren. Das heißt, Bänder 34 und 35, die in Berührung mit dem Umfang der Walze in Richtung in die Zeichenebene laufen, werden durch seitwärts gerichtete Kräfte gegen die Mitte oder die Stelle des größten Durchmessers der Walze geschoben. Es wird angenommen, daß diese Verschiebungstendenz eine Folge davon ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Walze gegen deren Ilitte hin zunimmt, so daß die der Hitte zunächst befindliche Seite jedes Bandes gegen die Mitte gezogen wird.
Für Experimentierzwecke wurde eine Schmelzwalze mit konvexem Profil nach Figur 3 hergestellt und getestet. Dabei wurde gefunden, daß in diesem Fall die entstehenden Knitterfalten noch wesentlich schlimmer waren als bei Verwendung einer genau zylindrischen Schmelzwalze. Dieser Effekt ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß Kräfte ausgeübt werden, die sämtliche Bereiche des Bandes gegen dessen Längsmitte drücken, so daß das Band "aufgeworfen" oder aufgefaltet wird.
Dagegen hat die in Figur 4a in Seitenansicht und in Figur 4b in Stirnansicht gezeigte Walze 36 mit konkavem Profil einen solchen Querschnitt, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit in Richtung zu den beiden äußeren Enden zunimmt. Aufgrund dieses Profils werden einzelne schmale Bänder oder Streifen 37 und 30 auf der Walze gegen deren äußere Enden geschoben. Somit wird jeder einzelne Bereich eines breiten einzelnen Bandes auf der Walze 36 mit einer seitwärts von der Walzenmitte weg gerichteten Kraft beaufschlagt, so daß das Band effektiv in Seitwärtsrichtung gespannt wird und einer etwaigen Knitterialtenbildung beim Seitwärtsschrumpfen infolge von Feuchtigkeitsverdampfung während des Verschmelz- und Fixiervorgangs widersteht. Figur 4 macht deutlich, daß es wichtig ist, daß das konkave Profil der Walze symmetrisch zur Walzenmitte ist, da bei et-
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Unsymmetrie sich ungleiche nach außen gerichtete Seittvärtskräfte ergeben, die zur Folge haben, daß das Band nach der einen oder anderen Seite der Walze verschoben v/ird.
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Claims (1)

  1. Pate nt ansprüche
    1,/Xerographische Fixiervorrichtung zum Fixieren von xerographisehern Toner auf einem Druckblatt mit einer ersten und einer zweiten drehbaren Walze, die achsparallel so gelagert sind, daß sie an ihrem Umfang in Singriff miteinander sind, wobei mindestens eine der beiden Walzen auf eine gey/änschte Schmelztemperatur des Toners aufheizbar ist, dadurch. gekennzeichnet, daß die erste Walze (15) eine allgemein konkave längsschnittform (Längsprofil) mit maximalem Durchmesser (d^) an den beiden Enden und minimalen Durchmesser (dp) in der Hitte hat.
    2. Fixiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der erster. Walze (16) linear von den beiden Enden zur Mitte hin abnimmt.
    3. Fixiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durehmesserverringerung der ersten Walze (16) beiderseits der Walzenlängsmitte symmetrisch ist.
    4. Fixiervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchmesserverringerung der ersten Walze (16.) 0,001 cm pro cm Walzenlänge beträgt.
    5. Fixiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Walze (16) auf die gewünschte Schmelztemperatur des Toners aufheizbar ist.
    6. Fixiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Walze (16) aus einem hohlen Metallzylinder (17) mit einer Außenhülle (19) aus Polytetrafluoräthylen besteht.
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    - 7. fixiervorrichtung nacli Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß sum Beheizen innerhalb des HchlrauiJis der ersten Walze (16) ein Strahlungsheizelement (20) angeordnet ist.
    3. Fixiervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Walze (22)aus einem Metallkern (24) besteht, der von einem Zylinder (25) aiis e las tome rein Material und einem Außenmantel (26) aus Polytetrafluoräthylen umgeben ist.
    9. Fixiervorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Transportmechanismus (30), der Papierblätter (39) mit an ihrer Oberfläche haftendem xerographischen Toner zwischen die beiden Walzen (16, 22) schiebt.
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