DE2615112A1 - Elektrofotografische kopiervorrichtung - Google Patents

Description

EASTMAN KODAK COMPANY, Rochester, N.Y. 14650, U.S.A.

Elektrofotografische Kopiervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrofotografische Kopiervorrichtung, und zwar insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Fixier- oder Schmelzoberfläche auf einer gewünschten Fixier- oder Schmelztemperatur.

Bei vielen der heutigentags verwendeten elektrofotografischen Kopiervorrichtungen wird eine sogenannte Walzenaufschmelz vor richtung (oder Walzenfixiervorrichtung) benutzt, um ein elektrofotografisch gebildetes Tonerbild dauerhaft auf einem Träger, üblicherweise einem Papierträger, zu fixieren. Eine solche Vorrichtung weist üblicherweise ein Paar von Rollen auf, von denen die eine als die "Aufschmelz"· Rolle (oder Fixierrolle) bekannt ist und von innen durch eine Quarzlampe beheizt wird. Die andere als Andruckrolle bekannte Rolle arbeitet mit der Aufschmelzrolle zusammen,

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ORIGINAL INSPECTED

um einen das Tonerbild tragenden Träger zu transportieren, wobei gleichzeitig der Toner durch das Aufbringen von Wärme und . Druck geschmolzen wird. Üblicherweise weist die Aufschmelzrolle einer Rollenaufschmelzvorrichtung einen thermisch leitenden zylindrischen Kern auf, der üblicherweise aus Aluminium oder Kupfer besteht und mit einer äußeren" Abdeckung aus Polytetrafluoräthylen oder Silikongummi versehen ist. Die bekannten "Freigabe"-Eigenschaften von Teflon und Silikongummi verhindern, daß Toner (üblicherweise winzige Teilchen eines thermoplastischen Harzes) während des Aufschmelzvorgangs an der Aufschmelzrolle hängenbleiben. Die wirkungsvolle Ausnutzung der Rollenaufschmelzvorrichtung macht es erforderlich, daß die Oberflächentemperatur der Aufschmelzrolle genau innerhalb eines engen Bereichs gehalten wird. Wenn die Temperatur der Aufschmelzrolle diesen Bereich überschreitet, so hat dies ein Verkohlen und das Zusammenrollen beim Tonerträger zur Folge. Wenn die Temperatur der Aufschmelzrolle unterhalb von diesem Bereich absinkt, so ergibt sich ein unvollständiges Aufschmelzen des Tonerbildes.

Zur Aufrechterhaltung der Oberflächentemperatur der Aufschmelzrolle innerhalb der erforderlichen Grenzen verwenden Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik einen Thermistor, der entweder in direkter Berührung mit der Aufschmelzrollenoberfläche (beispielsweise U.S. Patent 3 357 249) oder in der Grenzschicht der die drehende Rolle umgebenden Luft (Britisches Patent 1 316 616) angeordnet ist. Der Thermistor ist ferner üblicherweise eng benachbart zu der Zone angeordnet, wo die Aufschmelzrolle den den Toner tragenden Träger berührt. Es gibt eine Anzahl von Gründen dafür, den Thermistor auf diese Weise anzuordnen; der Hauptgrund besteht darin, daß es zweckmäßig ist, die Aufschmelzrollenoberflächentemperatur an einer Stelle abzufühlen, die so dicht als möglich zu der Linie liegt, wo die Aufschmelzrollenoberfläche das Tonerbild berührt. Durch Abfühlen der Rollenoberflächentemperatur an einer Stelle auf der Oberfläche, die eben mit dem Tonerbild außer Berührung gekommen ist, wird der Wärmeverlust in der Rolle unmittelbar festgestellt.

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Obwohl Temperatureteuervorrxchtungen mit in der oben erwähnten Weise angeordneten Thermistoren bei kommerziellen Vorrichtungen zur Steuerung der Betriebstemperatur der Rollenaufschmelzvorrichtung verwendbar sind, so weisen sie dennoch auch Nachteile auf. Beispielsweise kann bei ungenauer Anordnung relativ zur Rollenoberfläche das Thermistorelement die relativ empfindliche Oberfläche der Aufschmelzrolle beschädigen oder aber selbst durch das Trägermaterial, welches aus der Rollenaufschmelzvorrichtung austritt, beschädigt werden. Was die Gesamtgenauigkeit derartiger Vorrichtungen angeht, so besteht ein weiteres Problem. Wegen der kleinen Meßfläche des Thermistors "sieht" dieser nur örtliche Temperaturänderungen, wie beispielsweise heiße oder kalte durch ein fortlaufend wiederholtes Tonerbild erzeugte Flecken und erhöht oder vermindert demgemäß die Aufschmelzrollentemperatur. Da derartige heiße oder kalte Flecken nicht die durchschnittliche Temperatur der Rolle wiedergeben (und diese durchschnittliche Temperatur ist in der Rollenaufschmelzvorrichtung von Wichtigkeit), kann die Temperatursteuervorrichtung eine unrichtige Temperatureinstellung bewirken.

Ferner muß die Konstruktion von Temperatursteuervorrichtungen unter Verwendung eines benachbart zur Aussenoberfläche einer von innen beheizten Rolle angeordneten Temperaturfühlers die Zeitverzögerung berücksichtigen, die zwischen dem Zeitpunkt auftritt, wo thermische Energie dem Inneren der Rolle zugeführt wird, und dem Zeitpunkt, wo diese Energie bewirkt, daß die Temperatur der Aussenoberfläche um eine gegebene Größe ansteigt. Diese Zeitverzögerung ist bei Aufschmelzrollen verhältnismäßig lang, und zwar wegen des relativ geringen thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten, der Schichten aus Teflon (Polytetrafluoräthylen) und Silikongummi kennzeichnet. Wenn keine genaue Kompensation vorgesehen ist, so kann diese Zeitverzögerung zur Folge haben, daß die Temperatursteuervorrichtung die Aufschmelzrolle entweder überhitzt oder unterkühlt (d.h. die Temperatur läuft über eine gewünschte Temperatur hinaus). Alternativ kann diese Zeitverzögerung auch bewirken, daß die Steuervorrichtung

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die Aufschmelzrolle unzureichend erwärmt oder abkühlt (d.h. die gewünschte Temperatur nicht erreicht).

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Temperatursteuervorrichtung nicht die Oberflächentemperatur der Aufschmelzrolle direkt feststellt, sondern die Temperatur des thermisch leitenden inneren Kerns bestimmt. Durch Überwachung der Kerntemperatur, und infolge des Bekanntseins des Wärmeverlusts durch die Freigabeschicht (die äußere Schicht der Aufschmelzrolle) , kann die durchschnittliche Temperatur der Aufschmelzrolle genau aufrechterhalten werden.

Zur Kompensation des Wärmeverlusts in der Aufschmelzrolle infolge von deren Berührung mit dem den Toner tragenden Träger und/oder der Andruckrolle sind Mittel vorgesehen, um selektiv die Aufschmelzrollentemperatur zu erhöhen, und zwar infolge eines durch die Kopiervorrichtung erzeugten Signals, welches anzeigt, daß ein Wärmeverlust auftreten wird (d.h. daß eine Kopieranforderung erfolgt ist, und daß demgemäß ein Toner tragender Träger· sich der Schmelzvorrichtung nähert) . Durch direktes Abfühlen der Kerntemperatur werden die Probleme des Standes der Technik hinsichtlich des Darüberhinauslaufens und des Darunterbleibens bezüglich der gewünschten Temperatur in großem Umfang vermieden, weil der thermisch leitende Innenkern viel schneller auf die durch das Heizelement gelieferte Wärme anspricht. Durch Anordnung des Wärmefühlers derart, daß die Kerntemperatur abgefühlt wird, "sieht" der Fühler die durchschnittliche Temperatur des gesamten Kerns, der die durchschnittliche Temperatur der Rolle steuert, da sämtliche Teile des Kerns im wesentlichen auf der gleichen Temperatur liegen.

Es sei darauf hingewiesen, daß Temperaturfühler zur Feststellung der Oberflächentemperatur ohne Schädigung der Aufschmelzoberfläche verhältnismäßig teuer in der Herstellung und in der Anordnung dann sind, wenn sie genau und zuverlässig arbeiten sollen. Dies gilt aber nicht für einen Fühler der Bauart, der verwendet wird, um den Kern der Rolle abzufühlen.

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Die als überzug für die Aufschmelzrolle verwendeten Freigabematerialien, wie beispielsweise Silikongummi, besitzen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und es tretem demgemäß beträchtliche Temperaturunterschiede zwischen den Teilen der Aufschmelzoberfläche auf, welche das Tragmedium berühren und nicht berühren. Es ist daher üblicherweise erforderlich, eine Fläche oder Zone der Rollenoberfläche abzufühlen, die die Oberfläche des Trägermediums berührt; dieses Erfordernis erschwert die obengenannten Probleme und erhöht die Gefahr von Verstopfungen durch Papier und es macht es auch schwer, diese Verstopfungen zu beseitigen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht ferner darin, daß eine außerordentlich frühzeitige Versorgung mit Energie insbesondere bei von innen beheizten Aufschmelzrollen erreicht wird, um so das unerwünschte Darunterbleiben der Temperatur der Aussenoberflache der Aufschmelzrolle zu vermeiden.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Vorrichtung zum Abfühlen und zum Steuern der Temperatur der Aufschmelzoberfläche von beheizten Aufschmelzrollen derart vorzusehen, daß eine Änderung des Wärmeverlusts an der Aufschmelzoberfläche in wirkungsvoller Weise antizipiert und kompensiert wird. Die erfindungsgemäße Abfühl- und Steuervorrichtung für die Temperatur der Aufschmelzoberfläche soll dabei einfach und preiswert in der Herstellung sein. Durch das Voraussehen oder Antizipieren einer Änderung im Wärmeverlust wird ebenfalls das Darunterbleiben und/oder Daruberhinausschießen über einen annehmbaren Temperaturbereich für die Aufschmelzoberfläche vermieden.

Die genannten Ziele sowie weitere Vorteile der Erfindung werden bei einer Aufschmelzrolle der Bauart mit einem thermisch leitenden Kern, der mit einer Aussenlage aus einem das Anhaften verhindernden Material ausgestattet ist, dadurch erreicht, daß man folgende Maßnahmen vorsieht:

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1) Eine interne Beheizung der Rolle.

2) Ein Abfühlen der Temperatur des von innen beheizten leitenden Kerns an Stelle des Abfühlens der Temperatur der Aufschmelzoberfläche.

3) Vorsehen von Temperatursteuereinstellungen für den Kernfühler , und

4) selektives Schalten der internen Heizmittel in einen Betriebszustand bezüglich einer vorbestimmten Temperatursteuereinstellung, sobald in der Vorrichtung Information verfügbar ist, die anzeigt, daß ein erhöhter oder ein verringerter Wärmeverlust zu erwarten ist. Die Temperatursteuereinstellungen für den Kernfühler werden durch Bestimmung des speziellen Temperaturdifferentials ausgewählt, welches zwischen dem Querschnitt einer speziellen Aufschmelzrolle vorhanden sein sollte, um einen ausreichenden Wärmefluß vorzusehen, um den Wärmeverlust zu kompensieren, der an der Aussenoberfläche bei den verschiedenen Betriebsbedingungen auftritt, um so eine richtige externe Freigabeoberflächen-Aufschmelztemperatur aufrechtzuerhalten. Auf dem Gebiet der Wärmeübertragung ist es insbesondere wohlbekannt, daß die Geschwindigkeit der Wärmeströmung durch ein Material direkt proportional zur thermischen Leitfähigkeit des Materials und dem Temperaturdifferential am Material, d.h. dem thermischen Gradienten im Material ist. Man erkennt daher, daß dann, wenn die Aufschmelzoberfläche einer derartigen Rolle sich im Gleichgewicht bei einer speziellen Aufschmelztemperatur im Leerlaufzustand befindet, ein gegebenes Temperaturdifferential zwischen dem Innern und Äußeren der Aufschmelzrolle existiert und die vorbestimmte Wärmeströmungsgeschwindigkeit bewirkt, welche die WärmeleerlaufVerluste beispielsweise an die Umgebungsluft kompensiert. Selbst wenn die Leerlauf Wärmeverluste klein sind, muß ein signifikantes Temperaturdifferential insbesondere dann vorhanden sein, wenn die Aufschmelzrolle eine Aussenschicht oder -lage aus einem Freigabematerial aufweist, das eine sehr kleine thermische Leitfähigkeit besitzt.

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Da der Wärmeverlust der Aufschmelzoberfläche während der Berührung mit einem Kopierbogen und der Andruckrolle die Umgebungswärmeverluste an die Luft in hohem Maße übersteigt, ergibt sich, daß während des Kopiervorgangs die kompensierende Wärmeströmung in gleicher Weise erhöht werden muß, um die Aufschmelzoberfläche auf der richtigen Schmelztemperatur zu halten. Demgemäß muß das .Temperaturdifferential zwischen der inneren und äußeren Oberfläche beträchtlich erhöht werden. Da die Gesamtwärmeverluste für den Leerlaufzustand und den Kopierzustand im allgemeinen für eine gegebene Maschine konstant sind, können die Temperaturdifferentiale zur Aufrechterhaltung einer speziellen Aufschmelzoberflächentemperatur in dieser Maschine für jeden Zustand bestimmt werden.

Die Erfindung nutzt die obigen Betrachtungen, aus, um die Probleme bei den bekannten Oberflächen-Abfühlverfahren zu vermeiden; die Erfindung sieht dabei einen einfachen und billigen Kernfühler vor, und zwar zusammen mit einer "Ein-Aus"- oder einer Proportional-Steuervorrichtung, um das notwendige Temperaturdifferential für den Leerlaufzustand, den Kopierzustand und andere Arbeitszustände der Maschine zu steuern.

Da die vorliegende Erfindung die von innen erfolgende Beheizung der Aufschmelzrolle mit vorsieht, besteht eine größere Notwendigkeit, Wärmeverluständerungen zu antizipieren als dies der Fall wäre, wenn eine Beheizung von aussen verwendet würde, um so zu vermeiden, daß die Temperatur unter dem gewünschten Bereich während der Zeitverzögerung bleibt, während der die Änderung der Wärmeströmung die gewünschte Änderung der Schmelzoberflächen-Temperatur bewirkt. Wenn nur ein Wärmedifferential für die Kopierlaufbedingungen, d.h. das optimale für stetige Kopierlaufbedingungen, verwendet wird, so erhöht sich die Notwendigkeit für eine weiter fortgeschrittene Antizipierung von Wärmeverlusterhöhungen. Die vorliegende Erfindung sieht daher eine Änderung von der Leerlauftemperatureinstellung zur Kopierlaufeinstellung unmittelbar nach dem Empfang irgendeines Signals, wie beispielsweise eines Druckbe-

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fehls vor, wobei dieses Signal anzeigt, daß Kopien entstehen werden. Dieses Antiζipierungsverfahren ist verwendbar unabhängig davon, ob eine "Ein-Aus"- oder Proportional-Steuervorrichtung verwendet wird, weil nach der Umschaltung in einen unterschiedlichen Steuerpunkt die Fühler-Steuervorrichtung in einem wesentlichen Ausmaß vom "Einstellpunkt¹¹ weg liegt, was die unmittelbare Erregung des Heizelements bewirkt. Dies vermindert die Zeitverzögerung, die für das Darunterbleiben verantwortlich ist, und somit wird die Amplitude und die Dauer des Darunterbleibens vermindert.

Aus der folgenden ins Einzelne gehenden Beschreibung der Erfindung ergibt sich, daß die Erfindung eine wirkungsvolle praktikable und preiswerte Vorrichtung vorsieht, um die Oberflächentemperatur einer Aufschmelzrolle derart zu steuern, daß sich ein richtiger Aufschmelzvorgang ergibt. Die Erfindung sieht ferner eine außerordentlich wirkungsvolle Vorrichtung vor, um eine Erhöhung oder Verminderung des Wärmeverlusts von der Rollenoberfläche dadurch zu handhaben, daß derartige Veränderungen im Wärmeverlust antizipiert werden, und zwar sobald als Information darüber in der Vorrichtung vorhanden ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise schematische Ansicht der Aufschmelzvorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise schematische Ansicht einer Schaltung, die zur Steuerung der Temperatur der Aufschmelzrolle auf irgendeine vor bestimmte Temperatur verwendet wird·;

Fig. 3 eine graphische Darstellung im logarithmischen Maßstab, wobei die ausgezeichnete Steuerung der Temperatur der Aufschmelzrollengurnmioberflache während eines typischen Kopierzyklus dargestellt ist.

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Es seien nunmehr im einzelnen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Endansicht einer von innen beheizten Aufschmelzrolle 1,zusammen mit der die erfindungsgemäße Temperatursteuervorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren verwendbar sind. Der Kern 3 der Aufschmelzrolle 1 besteht aus einem guten thermischen Leiter, beispielsweise einem Metall, und ist mit einer Isolierschicht 4 überzogen, die aus einem das Anhaften verhindernden Material von sehr geringer thermischer Leitfähigkeit besteht, beispielsweise aus Silikongummi. Ein Heizer 2 mit einem üblichen elektrischen Heizelement(en) ist axial innerhalb der Aufschmelzrolle 1 angeordnet und ein Temperaturfühler 5 ist in direkter Berührung mit dem Ende des Kerns 3 angeordnet. Da der Kern 3 jedoch ein guter Wärmeleiter ist, ist die Kerntemperatur längs des Kerns relativ gleichförmig, so daß der Fühler 5 an irgendeinem zweckmäßgen, den Kern 3 berührenden Punkt angeordnet sein kann. Eine die Temperatur anzeigende Steuervorrichtung 6 (im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben) ist arbeitsmäßig mit dem Heizer 2 und einem wahlweise einsetzbaren Widerstand 8 (im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. beschrieben) verbunden, der arbeitsmäßig mit dem Temperaturfühler 5 in Verbindung steht und - wie schematisch angedeutet bestimmte Information, beispielsweise Aufwärmingangsetzung, Kopienstart-und/oder Kopienstop-Steuerung von der Steuerlogik 7 der Maschine erhält, in der die Aufschmelzvorrichtung eingebaut ist.

Nach einer längeren Periode des Nichtgebrauchs, wie beispielsweise auf eine Nacht folgend, muß die Rolle 1 auf einen Bereitschaftszustand aufgewärmt werden, in dem die Aufschmelzung von Toner auf elektrofotografischen Kopien möglich ist. In diesem Bereitschafts- oder Leerlauf-Zustand kann die Aufschmelzrolle 1 von der mit ihr zusammenarbeitenden (nicht gezeigten) Andruckrolle getrennt oder nicht getrennt sein, in jedem Falle werden aber keine Kopierbogen durch die Rollen hindurchgeführt. Infolge des Aufwärmsignals von der Maschinenlogik 7 wird der selektiv einsetzbare Widerstand 8 nicht in den Steuerkreis

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eingefügt und die Steuervorrichtung 6 steuert eine vorbestimmte Steuereinsteilung für den Leerlaufzustand. Die Steuervorrichtung 6 steuert dann die Erregung des Heizers zum Zwecke des Anhebens der Temperatur des Kerns 3 auf die richtige "Leerlauftemperatur", was zur Folge hat, daß die Oberfläche 4 sich in den Leerlaufzuständen auf einer richtigen Aufschmelztemperatur befindet.

Sobald der Kern 3 den vorbestimmten Temperaturpunkt für den Leerlaufzustand erreicht hat, beendet (oder verringert) die Steuervorrichtung 6 die Erregung des Heizelements 2 und die Rolle 1 ist zum Aufschmelzen von Kopien bereit. Sollte die Temperatur des Kerns 3 unter die Leerlauftemperatur während dieses Leerlaufzustands abfallen, so wird die Steuervorrichtung

6 die Erregung des Heizers 2 wieder einleiten (oder erhöhen). Der Abfall der Kerntemperatur wird abgefühlt, bevor irgendein wesentlicher Temperaturabfall an der Oberfläche 4 auftritt.

Wenn ein Kopierzyklus in der elektrofotografischen Vorrichtung oder Maschine eingeleitet wird, so erzeugt die Maschinenlogik

7 ein Kopiersignal, welches bewirkt, daß der wahlweise einsetzbare Widerstand 8 in den Steuerkreis eingefügt wird. Durch das Hinzufügen des Widerstands steuert die Steuervorrichtung 6 auf eine vorbestimmte höhere Steuereinstellung, die für den Kopierzustand oder Laufzustand geeignet ist, in dem Kopien durch Rolle 1 und Andruckrolle laufen. Wenn die Steuervorrichtung 6 einmal auf diese höhere Steuereinstellung steuert, so betätigt die Steuervorrichtung 6 den Heizer 2 solange, bis der Kern 3 die vorbestimmte Temperatur erreicht, die für das Aufschmelzen im Laufzustand geeignet ist. Der Kern 3 befindet sich dabei auf einer wesentlich höheren Temperatur als im Leerlaufzustand, weil der Wärmeverlust an die Kopierbogen zusätzlich zum Wärmeverlust an die Umgebung kompensiert werden muß.

Wenn man beispielsweise eine Silikonelastomeroberfläche von ungefähr 50/1000 Zoll Stärke mit einer Durometerhärte von ungefähr 70. und angreifenden Kräften von annähernd 15 englischen Pfund pro Linearzoll verwendet, welche die Aufschmelzrolle und

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die Andruckrolle zusammenpressen,und wenn ferner 8 1/2 Zoll mal 11 Zoll Bogen eines 20 englische Pfund Bond-Papiers verwendet werden, welches sich mit Geschwindigkeiten von 10 bis 20 Zoll pro Sekunde bewegt, so können thermische Differentiale zwischen der Kerntemperatur und der Aussenoberflächentemperatur von ungefähr 10° bis 40° F erforderlich sein, um die Aussenoberfläche auf einer richtigen Aufschmelztemperatur zu halten.

Wenn der Kopierlauf beendet ist und keine Bögen mehr mit der Rollenoberfläche in Berührung kommen, so erzeugt die Maschinenlogik 7 ein Signal, welches bewirkt, daß der wahlweise einsetzbare Widerstand 8 aus der Steuerschaltung entfernt wird, wodurch bewirkt wird, daß die Steuervorrichtung 6 an der unteren Temperatureinstellung, die für den Leerlaufzustand anwendbar ist, die Steuerung vornimmt. Die Steuervorrichtung wird daraufhin den Heizer 2 abschalten. Zur Verminderung der Amplitude und Dauer des Darüberhinauslaufens der Temperatur der Oberfläche 4 nach der Vollendung eines Kopierzustands kann die Maschinenlogik derart konstruiert sein, daß sie mit den Kopienzählern der Vorrichtung zusammenarbeitet, um die Steuervorrichtung zu veranlassen, auf die Leerlaufzustand-Temperatur für den Kern 3 einzusteuern, und zwar kurz vor dem Ende des Kopierzustands. Der Wert dieses Verfahrens muß durch Gegenüberstellen seiner Vorteile mit den Kosten ermittelt werden. Unabhängig davon, ob diese zusätzliche Logik verwendet wird, reagiert die Steuervorrichtung 6 auf die übermäßige Temperatur des Kerns 3 und schaltet den Heizer 2 ab.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß es Situationen gibt, wo die Aufschmelzrolle nicht durch den vollständigen Zyklus vom Leerlaufzustand in den Laufzustand gelangt. Eine derartige Situation kann bei einem "Kurzkopienlauf" vorliegen, wo die Vorrichtung sich nicht lange genug im Laufzustand befindet, so daß sich der Kern auf eine für diesen Zustand vorbestimmte Temperatur aufheizen kann. Obwohl der Kern diese Temperatur nicht erreichen kann, ergibt sich ein ordnungsgemäßes Aufschmelzen, weil es einen Temperaturbereich gibt,

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über den hinweg das richtige Aufschmelzen möglich ist und bei kurzen Läufen die Wärmebelastung durch die Kopienbögen die Aussenoberflächentemperatur nicht unter die untere Grenze dieses Bereichs abgesenkt haben wird. Es gibt ferner Situationen, wo die Rollen (die Aufschmelzrolle und die Andruckrolle) sich auf irgendwelchen Übergangszuständen zwischen den beiden stetigen Zustandsbedingungen befinden, wenn ein neuer "Kopierlauf" eingeleitet wird. In derartigen Situationen ergibt sich ein richtiger Aufschmelzvorgang und wenn sich die Vorrichtung für eine Zeitperiode im Betrieb befindet, die lang genug ist, so erreicht der Kern der Rolle den vorbestimmten Temperaturpunkt für den Laufzustand.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung der Erfindung zweckmäßigen Vorrichtung, wobei der Temperaturfühler ein übliches Thermoelement 12 der Bauart ist, die aus zwei ungleichen Metallen aufgebaut ist. Zuleitungsdrähte 20 verbinden das Thermoelement 12 mit einer im Handel verfügbaren Steuervorrichtung 6, wie beispielsweise einer "Modell Nr. 711 Indicating Controller" Steuervorrichtung, die von der Fa. Assembly Products Inc., USA, vertrieben wird. Die Steuervorrichtung 6 arbeitet in bekannter Weise zur Erregung oder Nichterregung des Heizers 2 in einer "Ein-Aus"-Betriebsart entsprechend der vom Thermoelement 12 empfangenen Spannung, um auf diese Weise die Temperatur des Kerns genau zu steuern.

Im Betrieb wird ein Potentiometereinstellknopf an der Steuervorrichtung bei offenem Solenoidschalter 14 derart eingestellt, daß eine vorbestimmte Spannung, d.h. eine Spannung gerade oberhalb des Pegels, wo der Heizer in den Ein-Zustand gebracht wird, an den Steuervorrichtungsklemmen vorhanden ist, wenn das Thermoelement sich in der Gegenwart der richtigen Kerntemperatur für den Leerlauf zustand der Aufschmelzvorrichtung befindet'. Mit dieser Eichung erregt die "Ein-Aus"-Steuervorrichtung den Heizer 2, wenn die Spannung vom Thermoelement unterhalb derjenigen ist, die für die richtige Leerlauftemperatur des Kerns 3 repräsentativ ist, wobei die Heizvorrichtung 2 abgeschaltet

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wird, wenn der Spannungspegel auf oder oberhalb des Spannungspegels liegt, der für die richtige Leerlauftemperatur des Kerns 3 repräsentativ ist. Infolge eines den Beginn eines Kopierzyklus anzeigenden Signals von der Maschinenlogik 7 wird der Solenoidschalter 14 erregt, um einen veränderbaren Widerstand 18 in den Kreis einzuschalten, und dadurch das Thermoelement 12 zu überbrücken. Das Hinzufügen des veränderbaren Widerstands 18 in die Schaltung vermindert die Spannung an den Steuervorrichtungsklemmen; infolge des Spannungsabfalls erregt die "Ein-Aus"-Steuervorrichtung den Heizer 2, um die Temperatur des Kerns 3 anzuheben.

Der veränderbare Widerstand 18 ist derart eingestellt, daß eine Spannung an der Steuervorrichtung 6 erzeugt wird, die in geeigneter Weise den Heizer erregt und abschaltet, wenn die Kerntemperatur den höheren Temperaturpegel erreicht oder darunter abfällt, der für die Aufrechterhaltung der richtigen Schmelztemperatur in der Kopierbetriebsart erforderlich ist. Wenn somit der Heizer die Kerntemperatur auf das richtige Niveau für die Kopierbelastung angehoben hat, so signalisiert die Spannung an der Steuervorrichtung 6 die Abschaltung des Heizers, was solange andauert, bis die Kerntemperatur unter das richtige Niveau für das Schmelzen abfällt.

Infolge eines Signals von der Maschinenlogik 7,daß sich der Kopierzyklus am oder nahe am Ende befindet, wird der Solenoidschalter 14 abgeschaltet und der Widerstand 18 wird aus dem Kreis entfernt, was einen Spannungsanstieg bewirkt und somit eine Überheizungsanzeige für die Steuervorrichtung 6. Infolge dieser überheizungsanzeige wird der Heizer 2 solange abgeschaltet, bis der Kern 3 sich zurück auf die Leerlauftemperatur abkühlt.

Fig. 3 veranschaulicht die Ergebnisse eines Zeit-Oberflächentemperatur-Versuchs während eines typischen Kopierzyklus zum Zwecke der Demonstration der Wirksamkeit der unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen Temperatursteuervorrichtung.

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Der Versuch wurde unter Verwendung einer Aluminiumaufschmelzrolle mit 0,500 Zoll Wandstärke durchgeführt, wobei diese Rolle mit einer 0,050 Zoll dicken Schicht Emerson-Cuming-Silikongummi (EC-4952) überzogen war; eine chromplattierte Stahlandruckrolle mit einem Kerndurchmesser von 1,990 Zoll, überzogen mit einer 0,020 Zoll dicken wärmeaufschrumpfbaren F.E.P. Hülse,ergab einen AusSenkerndurchmesser von 2,030 Zoll; ein GE-Heizer (WH 16OOT3-24OV) war axial innerhalb der Aufschmelzrolle angeordnet und besaß eine Maximalleistung von 1600 Watt; ein Eisen-Constantan (Type-J) Kernfühler lag am Ende des Kerns wie in Fig. 1 gezeigt an; ferner wurde eine "Ein-Aus"-Steuervorrichtung M-711 der Assembly Product Industries verwendet.

Ein Eisen-Constantan-Oberflächenfühler (Type-J) ruht auf der Gummioberfläche der Aufschmelzrolle, und zwar 90 vor dem durch Aufschmelzrolle und Andruckrolle gebildeten Spalt und etwa den halben Weg längs der Rolle; dieser Fühler war mit einem Thermoelement-Temperaturanzeiger (Modell DS 500) der Omega Engineering Industries verbunden und wurde zur Messung der Aufschmelzoberflächentemperatur zum Zwecke dieser Demonstration verwendet. Es wurde zwischen den unter einem Druck von ungefähr 217,5 englischen Pfund stehenden Rollen mit einem Spalt von ungefähr 0,150 Zoll Breite "International Xerographie Bond"-Papier (8 1/2 Zoll χ 14 Zoll, 20 engl. Pfund) hindurchgeschickt. Das Papier wurde zwischen der Aufschmelzrolle 1 und einer damit zusammenarbeitenden Andruckrolle mit annähernd 10 Zoll pro Sekunde und 1/2 Zoll Abstand zwischen den Kopien hindurchgegeben.

Die Kerntemperaturexnstellpunkte,d.h. die Kerntemperaturen unterhalb welcher der Heizer erregt oder eingeschaltet wurde, waren 381°F für die Leerlaufbetriebsart und 411°F für die Kopierbetriebsart, wobei das Ziel bestand, eine Oberflächentemperatur von annähernd 375°F in sowohl der Leerlauf- als auch der Kopier-Betriebsart aufrechtzuerhalten. Da die Kerntemperatur am Ende des Kerns festgestellt wurde und die Ober-

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flächentemperatur in der Mitte entlang der Länge der Aufschmelzrolle 1 bestimmt wurde, repräsentieren die Unterschiede in den Kern- und Oberflächen-Temperaturen für jeden Zustand nicht notwendigerweise die Temperaturdifferentiale, d.h. thermische Gradienten der äußeren Gummischicht.

In Fig. 3 bezeichnet Punkt 30 die Oberflächentemperatur nachdem die Steuervorrichtung die Beheizung der Aufschmelzrolle auf einen stetigen Zustand für die Leerlaufbetriebsart bewirkt hat, wobei der Kern 3 auf ungefähr 381⁰F gehalten wird, was eine Temperatur der Oberfläche 4 von fast 375 F bedeutet. Die Aufschmelzrolle befand sich am Punkt 30 10 Minuten lang im Leerlaufzustand, bevor irgendein Papier der Rolle zugeführt wurde. Unter Verwendung einer "Ein-Aus"-Steuervorrichtung war die "Aus"-Leistung des Heizers 2 während des Leerlaufzustands 100 Watt. Eine minimale Leistungsgröße wird an den Heizer 2 während des "Aus"-Zustands angelegt, um den thermischen Schock für den Heizer 2 zu vermindern* Diese minimale Leistung muß kleiner sein als diejenige, die erforderlich ist, um den Kern 3 auf der geeigneten Temperatur für die Leerlaufbetriebsart zu halten, so daß die Steuervorrichtung in den Leerlaufbetriebsarten arbeiten kann.

Infolge eines' Kopiersignals von der Maschinenlogik 7 wurde der Solenoid 14 sodann erregt, um den veränderbaren Widerstand 18 an die Steuerschaltung 10 anzuschalten, um einen Shunt für das Thermoelement 12 zu bilden, was eine verminderte Spannung an den Steuervorrichtungsklemmen zur Folge hat. Der Heizer 2 wurde dann erregt, um die Temperatur von Kern 3 auf 411 F anzuheben. In Fig. 3 erkennt man, daß während des Anhebens der Temperatur des Kerns 3 die Oberfläche 4 zeitweise auf eine geringere Temperatur am Punkt 32 (ungefähr 6 Sekunden) abfällt, während der anfängliche Wärmeverlust an die Kopien nicht schnell genug ersetzt wird. Die Darstellung erfolgt auf einer logarithmischen Skala, so daß der anfängliche Temperaturabfall in der Zeit vergrößert dargestellt werden kann. Am

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Punkt 34 ist der Kern 3 auf 411°F aufgeheizt und die Oberfläche 4 befindet sich wiederum auf der richtigen Aufschmelztemperatur von ungefähr 375 F.

Wenn die Kerntemperatur ansteigt, um die Oberflächentemperatur auf ungefähr 375°F zu bringen, so fordert der Kernfühler dauernd Wärme an, was ein kleines Darüberhinausschießen am Punkt 36 für ungefähr 4 oder 5° zur Folge hat, wobei die Größe und Dauer dieses DarüberhinausSchießens von den Systemkonstanten, wie beispielsweise der Masse, den thermischen Leitfähigkeiten der verwendeten Materialien, der Heizerkapazität und dem Ansprechen der Steuervorrichtung und des Fühlers abhängt. Sobald der Kernfühler der Steuervorrichtung signalisiert, daß der Kern auf ungefähr 411°F ist, wird die Steuervorrichtung keine Wärme mehr anlegen und die Oberfläche wird sich am Punkt 38 ausnivellieren, wo sie für die Dauer des Kopierzyklus verbleiben wird.

Es sei bemerkt, daß mehrere alternative Schaltungen vorgesehen sein können, um den Heizer in Verbindung mit den beiden gewünschten Temperaturpegeln für den Rollenkern zu steuern. Es könnten in Verbindung mit einer Schaltung der beschriebenen Art oder gesondert davon Thermistoren verwendet werden. Alternativ können unabhängig betreibbare Temperaturfühler und/oder Steuerschaltungen selektiv durch eine geeignete Maschinensteuerung in Betriebszustand gebracht werden. Wenn gewünscht, kann der Heizer alternativ derart gesteuert werden, daß er Wärme proportional zu dem Differential zwischen der tatsächlichen Spannung an den Steuervorrichtungsklemmen und der gewünschten Spannung erzeugt, um so weitere Überschießvorgänge zu vermeiden.

Die beschriebene Aufschmelzvorrichtung kann auch mit nur einem Steuerpunkt verwendet werden, d.h. der Kern wird auf einer einzigen Temperatur sowohl für die Leerlauf- als auch die Kopier-Betriebsart gehalten. Beispielsweise bei Kopiermaschinen für mittlere und geringe Volumina kann die Aufschmelz-

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temperatur der Aussenoberflache der Rolle wesentlich kleiner sein als bei Maschinen für höheres Volumen, da bei den Maschinen für mittleres oder kleines Volumen das aufzuschmelzende Material sich in dem Rollenspalt bei der geringeren Geschwindigkeit langer befindet. Bei derartigen Anwendungsfällen hat der Anstieg der Aufschmelzoberflächen-Temperatur, der während eines Leerlaufzustands mit der gleichen Kerntemperatur wie in der Kopierbetriebsart auftritt, keine unerwünscht hohe Temperatur zur Folge, die bei Maschinen für höheres Volumen auftreten würde, die bei höheren Aufschmelzoberflächen-Temperaturen arbeiten müssen. Ein einziger Kerneinstellpunkt ist somit bei den mit geringerer Geschwindigkeit arbeitenden Maschinen akzeptabel, wobei die Vorteile der Kernabfühlung aufrechterhalten bleiben.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einer Aufschmelzrolle mit einem von Silikongummi bedeckten Aluminiumkern beschrieben wurde, so sind doch auch andere Kombinationen von thermisch leitenden Kernen sowie das Ansetzen verhindernden Oberflächenüberzügen bei Durchführung der Erfindung möglich. Der hier beschriebene Temperaturfühler ist am Ende des Aufschmelzrollenkerns angeordnet, er kann aber auch an irgendeinem anderen Punkt des Kerns angeordnet sein, weil die thermisch leitenden Kernegestatten, daß Wärme ohne weiteres längs des Kerns von der Mitte zum Ende und um den Kern umfangsmäßig herum laufen kann, was eine fast gleichförmige Temperatur an jedem Punkt längs des Kerns zur Folge hat. Es können auch andere Mittel zur Berührungs- oder Nichtberührungs-Temperaturabfühlung des Kerns verwendet werden, wie beispielsweise Infrarot-Fühler, die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Metallkerns, das Abfühlen einer Probe von Luft oder Flüssigkeit nahe dem Kern, usw.

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Claims (14)

1. . A η s p. r. ü. .c. h. e

   (Λ J. Elektrofotografische Kopiervorrichtung mit einer Aufschmelzrolle der Bauart mit einem thermisch leitenden inneren Kern mit einem thermisch nicht leitenden äußeren überzug, der eine äußere Aufschmelzoberfläche aufweist, und wobei eine Heizquelle zur Erhitzung des inneren Kerns der Rolle vorgesehen ist, wodurch die äußere Aufschmelzoberfläche erhitzt wird, und wobei eine Temperatursteuervorrichtung zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Aufschmelzoberfläche auf einer gewünschten Schmelztemperatur während des AufschmeIzVorgangs vorgesehen ist, und zwar abhängig von von einer Temperaturabfühlvorrichtung erhaltenen Information, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturabfühlmittel (5) die'Temperatur des inneren Kerns (3) abfühlen und daß Mittel auf die Abfühlmittel (5) ansprechen, um den inneren Kern (3) auf einer vorbestimmten Temperatur oberhalb der gewünschten Temperatur der Aufschmelzoberfläche zu halten.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aufrechterhaltung der Temperatur folgende Elemente umfassen:

   Mittel zur Aufrechterhaltung . des inneren Kerns auf entweder einer ersten oder einer zweiten vorbestimmten Kerntemperatur und arbeitsmäßig mit der elektrofotografischen Kopiervorrichtung und den Temperaturaufrechterhaltungsmitteln verbundene Mittel zur selektiven Aufrechterhaltung der Kerntemperatur auf entweder der ersten oder zweiten vorbestimmten Kerntemperatur infolge eines Signals von der elektrofotografischen Vorrichtung.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturaufrechterhaltungsmittel folgende Elemente umfassen:

   a) Erste Temperatursteuermittel zur Aufrechterhaltung des inneren Kerns auf einer ersten vorbestimmten Kerntemperatur;

   b) zweite Temperatursteuermittel zur Aufrechterhaltung des inneren Kerns auf einer zweiten vorbestimmten Kerntemperatur;

   c) Mittel, die betriebsmäßig mit der elektrofotografischen Vor-

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   richtung und den ersten und zweiten Temperatursteuervorrichtungen verbunden sind, um selektiv die ersten oder zweiten Temperatursteuermittel in Arbeitsverbindung mit den Abfühlmitteln und der Wärmequelle zu bringen, und zwar infolge eines Signals von der elektrofotografischen Vorrichtung.
4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, insbesondere nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel zum Vorsehen von Kopier- und Leerlauf-Betriebsarten, wobei eine erste vorbestimmte Kerntemperatur oberhalb der gewünschten Aufschmelzoberflächentemperatur liegt, und zwar um eine Größe, welche einen Wärmefluß von. innerhalb des Kerns zu der Aufschmelzoberfläche bewirkt, wobei dieser Wärmefluß im wesentlichen gleich dem Wärmeverlust von der Aufschmelzoberfläche während des Leerlaufbetriebs ist, und wobei eine zweite vorbestimmte Kerntemperatur oberhalb der gewünschten Aufschmelzoberflächentemperatur um eine Größe liegt, die bewirkt, daß der Wärmefluß von innerhalb des Kerns zur Aufschmelzoberfläche im wesentlichen gleich dem Wärmeverlust von der Aufschmelzoberfläche während des Kopierbetriebs ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, insbesondere nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Signalisieren des Beginns und des Endes einer Kopierbetriebsart, wobei eine Auswahlvorrichtung auf ein Kopiereinleitsignal anspricht, um die zweite vorbestimmte Kerntemperatur auszuwählen, und wobei diese Auswahlvorrichtung auf ein Kopierbeendigungssignal anspricht, um die erste vorbestimmte Kerntemperatur auszuwählen.
6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (5) in direkter Berührung mit dem Kern (3) angeordnet ist.

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7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
   daß der Fühler (5) am Ende des Kerns (3) angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturanzeigesteuervorrichtung (6) arbeitsmäßig mit einem Heizer (2) und mit einem selektiv einsetzbaren Widerstand (8) verbunden ist, der
   arbeitsmäßig mit einem Temperaturfühler (5) in Verbindung steht und bestimmte Information aufnimmt, beispielsweise hinsichtlich Aufwärmingangsetzung, Kopienstart-und/oder Kopienstop-Steuerung von einer Steuerlogik (7).
9. 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß infolge des Aufwärmsignals von der Maschinenlogik (7) der selektiv einsetzbare Widerstand (8) nicht in den Steuerkreis eingesetzt wird, und daß die Steuervorrichtung (6) eine vorbestimmte Steuereinstellung für
   den Leerlaufzustand durch Erregung des Heizers (2) steuert, um
   die Temperatur des Kerns (3) auf die richtige "Leerlauftemperatur" anzuheben, welche bewirkt, daß die Oberfläche der Schicht
   (4) sich auf der richtigen Aufschmelztemperatur in den Leerlaufzuständen befindet.
10. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Kern (3) die vorbestimmte Leerlauftemperatur erreicht hat, die Steuervorrichtung (6) die Erregung des Heizers (2) beendet oder verringert.
11. 11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (7) beim Ingangsetzen eines Kopierzyklus ein Kopiersignal erzeugt, welches bewirkt, daß der selektiv einsetzbare Widerstand in die Steuerschaltung eingefügt wird.

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12. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die .Steuerlogik (7) dann wenn der Kopierzyklus beendet ist und die Bogen .-keine Berührung mit der Aufschmelzrollenoberfläche mehr machen, ein Signal die Entfernung des selektiv einsetzbaren Widerstands (8) aus der Steuerschaltung bewirkt.
13. 13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (7) mit Kopienzählern der.Kopiervorrichtung zusammenarbeitet, um zu bewirken, daß die Steuervorrichtung (6) auf die Leerlauftemperatur für Kern (3) kurz vor dem Ende des Kopierlaufs hinsteuert.
14. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß infolge eines Signals von Steuerlogik (7), welches den Beginn eines Kopierzyklus anzeigt, ein Solenoidschalter " (14) erregt wird, um einen veränderbaren Widerstand in die Schaltung einzufügen und dadurch einen Shunt für ein Thermoelement (12) zu bilden.

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