DE2420161A1

DE2420161A1 - Aufschmelzvorrichtung

Info

Publication number: DE2420161A1
Application number: DE2420161A
Authority: DE
Inventors: Gerald Abowitz; Robert Eugene Gerace; Frederick Robert Ruckdeschel
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1973-07-25
Filing date: 1974-04-25
Publication date: 1975-01-30
Also published as: JPS5044839A; CA1021012A; FR2238964A1; US3849628A; NL7405481A

Description

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XEROX CORPORATION, ROCHESTER, N.Y./USA

AufschmeIzvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Walzenaufschmelzvorrichtung, durch die ein Tonermaterial auf einem Substrat zur Ausbildung eines dauerhaften Bildes fixiert wird. Die Erfindung betrifft damit insbesondere Mittel, um .den Energieeingang für die erwärmte Walze so zu steuern, dass eine im wesentlichen konstante Oberflächentemperatur der beheizten Walze an einem Gebiet vorliegt, wo die Walze mit dem Tonermaterial in Berührung steht.

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Bei der Xerographie wird typischerweise ein Lichtbild von dem zu kopierenden Original in Form eines latenten elektrostatischen Bildes auf einem fotoempfindlichen Organ aufgezeichnet, und nachfolgend wird das latente Bild durch Aufgabe von elektroskopischen Markierungspartikeln (Toner) sichtbar gemacht. Das sichtbare Bild kann entweder direkt auf r^m fotoleitenden Element fixiert oder vom Element auf ein ebenes Papierblatt übertragen und anschliessend auf dem Blatt fixiert werden.

Um ein elektroskopisches Tonermaterial auf einem Trägerkörper durch Wärme dauerhaft zu fixieren, muss die Temperatur des Tonermaterials soweit erhöht werden, dass die Bestandteile des Tonermaterials koaleszieren und klebrig werden. Dies führt bis zu einem gewissen Ausmasse zu einem Absorbieren des Toners von den Pasern des Trägerkörpers, bei dem es sich in vielen Fällen um schlichtes Papier handelt. Nach Abkühlen des Tonermaterials erfolgt eine Erstarrung desselben, wodurch das Tonermaterial fest mit dem Tragkörper verbunden wird.

Sowohl bei der Xerographie als auch bei elektrographischen Aufzeichnungstechniken ist die Verwendung von Wärmeenergie zum Fixieren von Tonerbildern auf einem Tragkörper seit langem bekannt.

Zum thermischen Aufschmelzen von elektroskopische η Tonerbildern auf einem Trägermaterial wurde bislang so vorgegangen, dass das Trägermaterial mit dem darauf befindlichen Tonerbild zwischen ein Paar einander gegenüberliegende

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Walzen geschickt wurde, wobei wenigstens eine der Walzen entweder von aussen oder von innen erwärmt werden kann. Bei dieser Anordnung berührt das Tonerbild die Oberfläche der beheizten Walze bei Durchlauf durch den Walzenspalt und wird auf diese Weise erhitzt.

Bei Vorrichtungen, die ein Aufschmelzwalzenpaar in der zuvor beschriebenen Weise verwenden, ist es wichtig, dass die beheizte Walzenoberfläche in einem passenden Temperaturbereich gehalten wird, um das Tonerbild auf das Papierträgerblatt sauber aufzuschmelzen. Dies erfolgt in konventioneller Weise dadurch, dass man eine temperaturempfindliche Widerstandseinrichtung vorsieht, die gewöhnlich als Thermistor bezeichnet wird und in physischem Kontakt mit der beheizten Walze steht.

Bei einer konventionellen Walzenaufschmelzeinrichtung ist die Aufschmelzwalze oder der beheizte Teil fast immer mit einem auf deren Oberfläche angeordneten. Ablösemittel versehen, durch das eine Übertragung von Tonermaterial auf die Aufschmelzwalze vermieden werden soll. Das Ablösemittel ist wenigstens zu de'm Zeitpunkt_/bei dem es auf die Aufschmelzwalze aufgegeben wird, flüssig, und hat die'Wirkung, dass die thermische Energie auf ein Minimum reduziert wird, die eine Folge von Reibungskräften zwischen der Walzenoberfläche und dem Thermistor ist.

Wenn, wie bei der vorliegenden Erfindung, die Aufschmelzwalzenoberfläche ein Elastomer oder ein anderes hochempfindliches, wärmeerzeugendes Material umfasst, das kein Ablösemittel enthält, hat die durch Reibung entwickelte Wärme

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einen bedeutenden Effekt auf die temperaturerfassende Einrichtung. Wenn beispielsweise der Temperatursensor entsprechend einer gexirtinschten Walzentemperatur eingestellt ist, so besteht die Gefahr, dass der Temperatursensor aufgrund der Reibungskräfte Temperaturen erfasst, die ca. 11° über der tatsächlichen Oberflächentemperatur der Aufschmelzwalze liegen. Es versteht sich, dass dadurch eine Reihe von Problemen entstehen, die eine Folge der nichtzufriedenstellenden Steuerung der Aufschmelzvorrichtung sind.

Eine Lösung des Problems würde darin bestehen, dass man die Steuertemperatur des Sensors oder Messfühlers auf einen 11° höheren Wert einstellt als die Temperatur, auf die die Walzenoberfläche gehalten werden soll. Dies würde zu einer erhöhten Temperatur führen und das Problem des "Heissversetzens" als auch ein Austrocknen des Papieres mit sich bringen. Das Austrocknen des Papieres würde zu einem Aufrollen von dessen vorderer Kante führen und damit zu Papiereinklemmungen oder gegebenenfalls sogar zu Entflammungen.

Ein sogenanntes "Überschiessen" entsteht dann, wenn der Temperatursensor das Heizmittel abschaltet und zwar aufgrund des Umstandes, dass die im Innern der Aufschmelzwalze angesammelte thermische Energie nach dem Abschalten weiter ansteigt und radial nach aussen zur Oberfläche der Walze übertragen wird.

Das sogenannte "Heissversetzen" entsteht, wenn die Oberfläche der Aufschmelzeinrichtung auf ein Niveau erwärmt ist, bei dem die Tonerpartikel schmelzen. Dadurch entsteht

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ein Zustand,bei dem sich die Tonerpartikel aufspalten und einige durch die Walzenoberfläche aufgenommen werden.

Ausser der genannten Lösung des Problems wurden schon andere Lösungen in nähere Betrachtung genommen, doch erwiesen sich diese Lösungen als zu teuer oder kompliziert.

Ein Ziel der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Aufschmelz vorrichtung für eine elektrostatische Reproduktionsvorrichtung zu schaffen, um Tonerbilder auf einem Trägermaterial aufzuschmelzen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer solchen Aufschmelzvorrichtung für eine xerographisehe Reproduktionsvorrichtung, bei"der die Oberflächentemperatur der Aufschmelzwalze nach einem neuen Verfahren gesteuert wird. Dabei soll die Aufschmelzvorrichtung unter Verwendung eines nichtberührenden Sensors gesteuert werden.

Erfindungsgemäss wird dies gelöst durch eine erste Walze, eine zweite mit der ersten zur Bildung eines Walzenspaltes, durch den ein Tonermaterial tragendes Substrat hindurchbewegt wird, zusammenwirkende Walze, eine Einrichtung zum Erwärmen von wenigstens einer der Walzen auf eine Oberflächentemperatur,.die ausreicht, um das Tonermaterial in einen klebrigen Zustand zu bringen, eine ausser Berührung mit wenigstens einer der Walzen befindlichen Einrichtung zum Erfassen von deren Oberflächentemperatur und eine auf die erfasste Temperatur ansprechende Einrichtung zum Steuern der Erwärmung;um die Oberflächentemperatur von wenigstens einer der Walzen in einem Gebiet konstant zu halten, das in Berührung mit dem Tonermaterial steht.

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Durch das Vorsehen eines nichtberührenden Sensors und der Steuerung wird die Temperatur der Aufschmelzwalze in den Gebieten, wo sie mit dem Tonermaterial· in Berührung kommt, im wesentlischen konstant gehalten. Dies erfolgt durch das Vorsehen einer Fotodiode, durch die der Lichtauslass eines Leuchtstoffmaterials gemessen wird, das bei einer Ausführungsform der Erfindung integraler Bestandteil der Oberfläche der Aufschmelzwalze ist. Da die Lichtemisionen des Leuchtstoffmaterials in Beziehung zur Temperatur des Leuchtstoffmaterials gebracht werden können, wobei die Temperatur wiederum eine Funktion der Oberflächentemperatur der Walze darstellt, kann die Oberflächentemperatur sehr genau gemessen und dazu verwendet werden, den Energieeingang für die Aufschmelzwalze zu steuern. Dadurch lässt sich die Temperatur der Walze im wesentlichen konstant halten. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Leuchtstoffmaterial Teil einer Einrichtung sein, die nahe der Aufschmelzwalze angeordnet ist. Dabei werden die Lichtemisstonseigenschaften in der gleichen Weise wie zuvor gemessen.

Falls das Leuchtstoff material integraler Teil der Aufschraelzwalze darstellt, kann es gleichförmig über die Oberfläche der Aufschmelzwalze verteilt oder einen längs des Umfanges der Walze sich erstreckenden kontinuierlichen oder unterbrochenen Streifen darstellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich nung unter weiterer Aufzählung von Vorteilen näher erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 eine schematische Vorderansicht einer automatischen, xerographischen Reproduktionsvorrichtung mit der erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische, teilweise gebrochene Ansicht einer in der Vorrichtung nach Fig. 1 angeordneten Aufschmelζvorrichtung,

Fig· 3 ^ein sehematisehes Diagramm einer Aufschmelzsteuerung, die für die Aufschmelzvorrichtung nach Fig. verwendet wird,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer modifizierten Ausführungsform der in Fig. 3 dargestellten Steuerung zum Steuern der Oberflächentemperatur der Aufs chmelzwalze,

Fig. 5 eine fragmentarische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung* und

Fig. 6 eine fragmentarische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung in einer zweckmässigen Umgebung, wie beispielsweise einer automatischen xerographischen Reproduktionsmaschine, dargestellt. Die Reproduktionstnasehine weist eine xerographisehe Platte mit einer fotoleitenden Lage oder lichtempfindlichen Oberfläche auf einem leitenden Hintergrund auf und ist in Form einer Trommel 10 ausgebildet. Die Trommel 10 ist

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auf einer in einem Rahmen gelagerten Welle befestigt und dreht sich in Richtung des Pfeiles, so dass die Trommeloberfläche nacheinander längs einer Vielzahl von xerographischen Behandlungsstationen gelangt.

Für die vorliegenden Zwecke brauchen die verschiedenen xerographischen Behandlungsstationen im Bewegungsweg der Trommeloberfläche funktionell nur vjle folgt beschrieben werden:

An einer Ladestation A wird die fotoleitende Lage der xerographischen Trommel gleichmässig geladen. An einer Belichtungsstation B wird ein Licht oder Strahlrauster des zu reproduzierenden Dokuments auf die Trommeloberfläche geworfen, so dass diese in den belichteten Bereichen entladen wird und ein latentes elektrostatisches Bild der zu reproduzierenden Kopie entsteht. In einer Übertragungsstation B wird elektrostatisch das xerographisehe Pulverbild von der Trommeloberfläche auf ein Transferträgermaterial übertragen. Und in einer Trommelreini-gungs- und Entladungsstation E wird die Trommeloberfläche zur Entfernung von verbleibenden Tonerpartikeln, d.h. Partikel, die nach der Bildübertragung noch anhaften, gebürstet; in dieser Station wird die Trommeloberfläche einer relativ grellen Lichtquelle ausgesetzt, so dass eine im wesentlichen vollständige Entladung von irgendwelcher verbleibender elektrostatischer Ladung erfolgt.

In der Übertragungsstation D erfolgt eine Übertragung des xerographischen Pulverbildes von der Trommeloberfläche auf blattförmiges Trägermaterial mittels einer Koronaübertragungseinrichtung 16, die an oder unmittelbar nach der Berührungslinie zwischen dem Trägermaterial und der sich

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drehenden Trommel angeordnet ist. Im Betrieb wirkt das durch die Koronaübertragungseinrichtung geschaffene elektrostatische Feld dergestalt, dass das Trägermaterial elektrostatisch an der Trommeloberfläche anhaftet, so dass es synchron mit der Trommel sich bewegt. Gleichzeitig mit der Haftwirkung bedingt das elektrostatische Feld ein Anziehen von Tonerpartikeln des xerographischen Pulverbildes von der Trommeloberfläche und bedingt, dass die Tonerpartikel elektrostatisch an der Oberfläche des Trägermaterials anhaften.

Unmittelbar nachfolgend an die Bildübertragungsstation ist eine Abstreifvorrichtung 18 angeordnet, durch die die Blätter aus dem Übertragungsmaterial von der Trommeloberfläche entfernt werden. Die Wärme-Abstreifvorrichtung ermöglicht es, dass die vordere Kante des Trägermaterials von der Trommeloberfläche abgenommen und einem Endlosförderer 20 zugeführt wird, der das Blattmaterial einer beheizten Schmelzwalzenvorrichtung J)O zuträgt. Das Trägermaterial wird durch eine Oberwalze oder einen Zylinder JH- und eine versetzbare Unterwalze 36 geleitet, um das Bild durch eine Kombination von Wärme und Druck dauerhaft zu fixieren oder aufzuschmelzen. Die Walze J4 hat eine Aussendecke 37 aus Silicongummi oder einem anderen zweckmässigen elastomeren Material, wobei diese Aussendecke 37 durch eine feste Basis 38 getragen wird und zwischen der Aussendecke und der festen Basis 38 eine dickere elasto» mere Lage 39 angeordnet ist.

Eine Quarzlampe 4o und ein Reflektor 42 sind nahe der Schmelzwa Ize 34 angeordnet und erstrecken sich parallel zur Längsachse der Aufschmelzwalze. Die Lampe 40 hat eine maximale

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Leistung von 1100 W, wenn sie von einer 120 V/ 60 Hz Quelle gespeist wird. Bei einer Ausgangsleistung von 1100 W kann die Lampe die Oberflächentemperatur der Aufschmelzwalze 34 auf ein Niveau anheben, bei dem die Tonerpartikel zusammenschmelzen, wobei dieses Niveau selbstverständlich mit den Wärmeeigenschaften des verwendeten Tonermaterials sich ändern kann. Bei einer derartigen Anordnung liegt die Oberflächenteaiperatur der Aufschmelzwalze im Bereich von 93°C bis 204°C. Die tatsächliche Ausgangsleistung der Lampe wird entsprechend der tatsächlichen Temperatur der Walzenoberfläche und entsprechend der gewünschten Temperatur gesteuert.

Die in Fig. 2 gezeigte Walze enthält einen Streifen 44 aus thermographischem Leuchtstoff (Phosphor)-Material, und eine Ultraviolett-Lichtquelle 46 ist nahe der Walze 34 so angeordnet, dass das Leuchtstoff-Material durch das ultraviolette Licht angeregt wird. Ein elektrooptischen Detektor, beispielsweise ein Fotowiderstandselement oder eine-zelle 48, wird ebenfalls nahe der Aufschmelzwalze 34 so gehalten, dass die von dem Leuchtstoffstreifen abgegebenen Lichtemissionen aus nachfolgend näher erwähnten Gründen auf die Zelle geworfen werden. Thermographische Leuchtstoffe (Phosphor) haben die Eigenschaft, dass bei Anregung durch ultraviolettes Licht sie sichtbares Licht aussenden, wobei dessen Intensität von dem 'Dichten-Rekombinationsniveau nahe der Valenzbandkante abhängt. Ein Anstieg der Temperatur des Leuchtstoffs bei einer konstanten UV-Quelle verringert die für die Strahlungsrekombination verfügbare Niveauanzahl und erniedrigt dadurch den Lichtauslass. Verschiedene derartige Phosphors oder Leuchtstoffe sind unter dem Handelsnaraen

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Radelin von der US Radium Company beziehbar. Die mittlere Helligkeit derartiger Leuchtstoffe liegt in der Grössenordnung von 1 erg/cm²/Sek. was sich in einfacher Weise durch billige handelsüblich verfügbare Fotodioden ermitteln lässt. Die Empfindlichkeit dieser Materialien beträgt 15 #°K.

Obschon das integral mit der Aufschmelzwalze j54 verbundene Leuchtstoffmaterial in der dargestellten Weise auf der Oberfläche der Walze in Form eines kontinuierlichen, längs des Umfangs sich erstreckenden Streifens aufgegeben ist, versteht es sich, dass es ebenfalls auf die gesamte Oberfläche angeordnet sein könnte. Auch kann der Streifen unterbrochen oder gemäss Fig. 4 segmentiert oder als einzelner Flecken angeordnet sein. Klare RTV-Verbindungen haben sich als zweckmässiges Bindematerial für den Leuchtstoff erwiesen.

Bei der Quelle 46 handelt es sich vorzugsweise um eine 2 Vi UV-Lampe, die handelsüblich von der General Electric Company bezogen werden kann. Das Fotowiderstandselement 48, gemäss Fig. 2 kann in, einem gewöhnlichen Halter 50 aus Aluminium oder einem anderen passenden Material enthalten sein. Bei einer derartigen Anbringung wird das von dem Leuchtstoff emittierte Licht durch ein Faserbündel 52 zum Fotowiderstandselement 48 geleitet.

In Fig. 3 ist ein Steuersystem in Form einer geschlossenen Schleife gezeigt, wobei das der "Walzenoberflächentemperatur entsprechende Ausgangssignal der Fotowiderstandszelle 48 durch einen Verstärker 56 verstärkt und das verstärkte Signal einem SCR (steuerbaren Siliciumgleichrichter)-Steuergerät 58 zugeführt wird. Das Steuergerät 58 gibt an die

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Lampe 4o eine dem Temperaturfühler und den erzeugten resultierenden Signalen entsprechende Energie ab. Bei Betrieb erhöht die Wärme die Oberflächentemperatur der Walze bis zu einem Punkt, bei dem das verstärkte Signal sich dem Einstellpunkt des SCR-Gerätes nähert, worauf die Energieabgabe an die Lampe abnimmt. Auf diese Weise wird die Aufschmelztemperatur bei einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten. Eine Oberflächentemperatursteuerung innerhalb von i 1,1°C wurde unter konstanter thermischer Belastung erzielt. Eine Stromversorgung 59 schafft eine geregelte 28 V Gleichstromspannung und ist für die UV-Lampe 46 vorgesehen.

In Fig. 4 ist eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Aufehmelzwalze 34 durch eine Walze 6O ersetzt ist. Diese Walze 60 trägt Segmente 62 aus dem Leuchtstoff—oder Phosphormaterial, die sich längs des Umfangs der Walze 6O erstrecken. Im Gegensatz zum durch den kontinuierlichen Streifen 4o erzeugten Gleichstrom-signal schaffen die Segmente 62 sinusförmige Signale, so dass die Vorteile eines Wechselspannungsverstärkers ausgenutzt werden können. Ein Wechselspannungsverstärker ist stabiler als das Gleichstromsignal_/und ein gleichförmi^rar Temperaturgradient längs des unterbrochenen Weges wird durch die Segmente 62 geschaffen. Bei dieser Ausführungsform wird das Wechselstromsignal von einem Fotowiderstandselement 64 in einem Vorverstärker 66 mit nachfolgender Verstärkung durch einen Verstärker 68 vorverstärkt. Das Wechselstromsignal wird durch einen Wechselstrom- Gleichstrom-Umwandler 70 umgewandelt und einem SCR-Regler oder Steuergerät 72 zugeführt, das wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3> die Ausgangsleistung der Lampe regelt.

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Nach Fig. 5 braucht das Leuchtstoffmaterial nicht einen integralen Teil der Aufschmelzwalze darstellen, sondern kann Teil eines dünnen, wärmebeständigen Substrates J6, beispielsweise aus Glimmmer, sein, das nahe der Oberfläche einer Aufschmelzwalze 78 angeordnet ist. In diesem Fall ist der Detektor und der Signalgenerator in Form einer Fotodiode 80 mit einem an dessen Eingang angeordneten UV-Dämpfungsglied 82 (Glas) ausgebildet.

Gemäss Fig. 6 kann der Phosphor- oder Leuchtstoff ein integrales Teil eines elektrolumineszierenden Panels 86 darstellen, das ebenfalls na-he der Aufschmelzwalze 78 angeordnet ist.

Obschon die Erfindung anhand von speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, versteht es sich, dass verschiedene Modifikationen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne dass dadurch vom Wesen und Schutzbereich der Erfindung abgewichen wird. Die Erfindung ist daher nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern. durch den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche begrenzt.

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Claims

Patentansprüche

.y Aufschmelzvorrichtung, gekennzeichnet durch eine erste Walze, eine zweite mit der ersten zur Bildung eines Walzenspaltes, durch den ein Tonermaterial tragendes Substrat hindurchbewegt wird, zusammenwirkende Walze, eine Einrichtung zum Erwärmen von wenigstens eaaier der Walzen auf eine Oberflächentemperatur, die ausreicht, um das Tonermaterial in einen klebrigen Zustand zu bringen, eine ausser Berührung mit wenigstens einer der Walzen befindliche Einrichtung zum Erfassen von deren Oberflächentemperatur und eine auf die erfasste Temperatur ansprechende Einrichtung zum Steuern der Erwärmung _; um die Oberflächentemperatur von wenigstens einer der Walzen in einem Gebiet konstant zu halten, das in Berührung mit dem Tonermaterial steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, dass die Einrichtung zum Erfassen der Temperatur eine Einrichtung zur Umwandlung von thermischer in Lichtstrahlung umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von elektrischen Signalen umfasst, die kennzeichnend für die Temperatur von wenigstens einer Walze sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch ~5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung aus einem Leuchtstoffmaterial und einer Einrichtung zum Anregen des Leuchtstoffmaterials besteht, so dass dieses eine sichtbare Strahlung aussendet, wobei das Leuchtstoffmaterial so relativ zu der einen Walze an-

. geordnet ist, dass es von diesem eine der Temperatur der Walze entsprechende thermische Energie empfängt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtstoffmaterial ein kontinuierlicher Streifen ist, der sich längs des Um-

■ fangs der einen Walze erstreckt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtstoffmaterial aus einer Vielzahl von Segmenten besteht, die sich längs des Umfangs der einen Walze erstrecken.
7. Vorrichtung nacTi Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtstoffmaterial ein Substrat umfasst, das nahe der einen Walze angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ze i chne t., dass das Leuchtstoffmaterial ein elektroiumineszierendes Panel umfasst, das nahe der einen Walze angeordnet ist.

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