DE3107290A1

DE3107290A1 - Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE3107290A1
Application number: DE19813107290
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hatogaya Saitama Satomura; Michio Tokyo Shigenobu
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1980-03-03
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1982-01-07
Also published as: DE3107290C2; DE3153661C2; US4544828A

Description

Τιρπτκ-ρ - BnHMMf- - Κη&3φ '"'-" -^: Patentanwälte und

IEDTKE UUHLING iXlSrfet:. : Vertreter beim EPA

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-Sf- Dipl.-Ing. R. Kinne

3 1 Q 7 Z 9 0 Dipl.-Ing. R Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24845 tipat

cable: Germaniapatent München

26. Februar 1981

DE 1068

CANON KABUSHIKI KAISHA

Tokyo, Japan

Heizvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Objekts; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Heizvorrichtung, die bei einer Fixiervorrichtung zum Fixieren eines nichtfixierten Bilds beim elektrostatischen Drucken, der Elektrophotographie, der Magnetographie oder dgl. verwendbar ist, und zwar insbesondere bei einer Fixiervorrichtung, bei der einem nichtfixierten Bild Wärme zugeführt wird, um es an einem BiId-Trägermaterial zu fixieren.

Im Heizelemente-Bereich sind schon Keramxkmaterxalien bekannt, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands haben (und die nachstehend als 0 Keramikstoffe mit PTC-Eigenschaft oder PTC-Keramikstoffe bezeichnet werden); ferner sind Heizvorrichtungen zur BiIdfixierung bekannt, bei welchen derartige Keramikstoffe als Wärmequelle verwendet werden.

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Deutsche B, riK (München) K!o 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 SW Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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Derartige PTC-Keramikstoffe, die unter Anlegen einer geeigneten Spannung Wärme erzeugen, bieten als Wärmequelle bei verschiedenerlei Heizvorrichtungen verschiedene Vorteile, wie eine Temperatur-Selbststeuerung ohne Ve-rwendung einer an ein Temperaturmeßelement angeschlossenen äußerem Loistungsstcuoroinrichtung, eine Einschränkung von entsprechend Schwankungen der Speisespannung hervorgerufenen Schwankungen hinsichtlich der Wärmeerzeugung, eine lange Standzeit usw. Bei de : Fixiervorrichtung zum Fixieren eines Tonerbilds ergeben die Keramikstoffe zusätzlich zu den vorstehend genannten auch die Vorteile eines schnellen Erwärmens und einer Verkürzung der Wartezeit.

Die PTC-Keramikstoffe haben jedoch eine unzureichende Maßhaltigkeit bei den Sinter- und Kühlschritten, die besonders dann ausgeprägt ist, wenn die aus den PTC-Keramikstof fen geformten Produkte ein größeres Volumen oder eine größere Oberfläche haben. Ferner bestehen bei den PTC-Keramikstoffen Schwierigkeiten hinsichtlich einer mechanischen Bearbeitung wie des Schabens oder Schleifens, so daß die Herstellung einer verhältnismäßig langen Walze oder eines verhältnismäßig breiten Plattenelements aus den PTC-Keramikstof fen für ei.ne Fixiervorrichtung praktisch ziemlich schwierig ist, eine geringe Massen-Herstellbarkeit ergibt und zu gesteigerten Herstellungskosten führt. Darüber hinaus besteht an den PTC-Keramikstoffen die Neigung zur Bildung von Rissen oder örtlichen Ungleichmäßigkeiten in der Qualität bei dem Sinter- oder

Kühlschritt, und zwar insbesondere dann, wenn die Produkte ein großes Volumen oder eine große Oberfläche haben; dadurch wird es unmöglich, über der Oberfläche des Heizelements eine gleichmäßige Wärmeerzeugung zu erzielen oder eine gewünschte Wärmemenge zu erreichen. Bei den

Fixiervorrichtungen wird durch derartige Risse oder

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Qualitäts-Ungleichmäßigkeiten das gleichförmige Aufbringen von Wärme auf das Tonerbild oder das Trägermaterial hierfür behindert, so daß sich ein ungleichmäßiges oder unzureichendes Fixieren ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Heizvorrichtung mit einem Heizelement zu schaffen, mit der die vorstehend beschriebenen Unzulänglichkeiten ausgeschaltet werden und die ein zufriedenstellendes Erwärmen eines Objekts unter voller Nutzung der Eigenschaften der PTC-Keramikmaterialien ermöglicht.

Ferner soll die Heizvorrichtung unter voller Nutzung der Eigenschaften der PTC-Keramikmaterialien für die Verwendung in einer Fixiervorrichtung zum gleichmäßigen und schnellen Fixieren eines Tonerbilds an einem Bildträgermaterial verwendbar sein.

Die.Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine vergrößerte Ansicht eines Heizelements der Heizvorrichtung. 25

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die das Anlegen einer Spannung veranschaulicht.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die Kennlinien bei einem Aus fix der Heizvorrichtung zeigt.

^ou Kennlinien bei einem Ausführungsbeispiel

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Heizvorrichtung.

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Fig. 5 ist eine Vertikalansicht eines Ausfüh

rungsbeispiels der Heizvorrichtung.

Fig. 6 und 7 sind schematische Ansichten, die Einrichtungen zum Anlegen von Spannung

an das Heizelement zeigen.

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Heizvorriehtung.

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Heizvorrichtung.

T5 Die Fig. 1 zeigt in schematischer vergrößerter Ansicht einen Teil eines Heizelements 1 der Heizvorrichtung, in welchem durch Brechen oder Zerkleinern eines PTC-Keramikmaterials gewonnene Keramikteilchen 2 miteinander mit Hilfe eines Bindemittels 3 wie eines isolierenden anorganischen oder organischen Bindemittels zusammengeklebt sind. Auf diese Weise sind die Keramikteilchen 2 in dem Bindemittel 3 so verteilt, daß sie in gegenseitigem Kontakt stehen und daher elektrisches Leiten zeigen. Dementsprechend ist das ganze Heizelement elektrisch leitend, so daß durch Anlegen einer Spannung an das Heizelement jedes Keramikteilchen 2 eine Spannung zur Wärmeerzeugung empfängt, wobei das ganze Heizelement PTC-Eigenschaft zeigt, die denjenigen des in dem Heizelement verteilten PTC-Keramik-Füllmaterials sind. Das Anlegen der Spannung an das Heizelement 1 kann auf die in Fig. 2 gezeigte Weise erfolgen, gemäß der die Spannung aus einer Spannungsquelle 6 zwischen Elektrodenschichten 4 und 5 angelegt wird, die aus Silber, Kupfer oder Nickel gebildet sind, welches auf die obere Fläche bzw. die untere Fläche des Heizelements 1 aufgedampft ist. Wenn

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] die angelegte Spannung "so gewählt wird, daß eine Temperatur in der Nähe des Punkts des plötzlichen Anstiegs des Widerstands des Heizelements 1 erzielt wird, erfolgt an dem Heizelement eine Selbststeuerung, mit der die gewählte Temperatur auch dann beibehalten wird, wenn die tatsächliche Spannung von der gewählten Spannung abweicht, und bei der im Ansprechen auf ein eventuelles Ansteigen der Temperatur durch den plötzlichen Anstieg des Widerstands die elektrische Leitfähigkeit absinkt, so daß daher eine im wesentlichen konstante Temperatur erzielt wird.

Es wurden Beispiele für Heizelemente aus BaTiO₃-PTC-Keramikmaterial (C), das unter der Handelsbezeichnung Posister oder PTH (von Murata Mfg. Co.) bekannt ist, in der Weise hergestellt, daß (A) das Keramikmaterial in Teilchen mit einer Größe von 5 0 bis 2 00 μΐη zerkleinert wurde und zu 75 Vol.-% in ein isolierendes anorganisches Bindemittels dispergiert bzw. verteilt wurde, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid zusammengesetzt ist und unter der Handelsbezeichnung Aron Ceramic D (Toa Gosei Kagaku Co., Ltd.) bekannt ist, oder daß (B) das Keramikmaterial in Teilchen von 1 bis 2 mm zerkleinert wurde und gleichermaßen zu 5 0 Vol.-% in dem Bindemittel Aron Ceramic D verteilt wurde, wonach in beiden Fällen ein Formen und Härten erfolgte. Das Formen wurde dadurch herbeigeführt, daß die geknetete Mischung der Keramikteilchen mit dem flüssigen Aron Ceramic D um ein Glasrohr mit 40 mm Durchmesser und 320 mm Länge herum gleichförmig aufgetragen wurde, durch Erwärmung auf 150 ⁰C für 150 Minuten gehärtet wurde und danach die Außenfläche mit Sandpapier #6 00 und dann mit Sandpapier #2 000 poliert wurde, um ein Heizelement mit 2 mm Dicke zu erzielen. Die Verwendung dieser Dispersion der PTC-Keramikteilchen iα einem Bindemittel ermöglicht eä,

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] ein großes walzenartiges Heizelement gemäß den vorangehenden Ausführungen einstückig herzustellen, das hervorragende Bearbeitungseigenschaften hat, die eine genaue Dimensionierung und Formung nach Wunsch erlauben.

Die erzielten Heizelemente zeigten keine Risse und es wurden keine Qualitäts-Ungleichmäßigkeiten beobachtet, da das keramische Füllmaterial zerkleinert bzw. gemahlen war und in das Bindemittel eingemischt war.

°ie Fig. 3 zeigt den als Verhältnis zu dem Widerstand bei 25 °c aufgetragenen spezifischen Widerstand der Heizelemente (A) und (B) sowie des hierin verwendeten BaTiCU-Keramik-Füllmaterials (C) als Funktion der Temperatur. Es ist ersichtlich, daß die Heizelemente (A) und (B) PTC-Eigenschaften zeigen, wobei die Stelle eines plötzlichen Widerstandsanstiegs um 210 ⁰C herum liegt, wie es auch bei dem keramischen Füllmaterial (C) beobachtet wurde.

Das vorstehend genannte Bindemittel Aron Ceramic D kann durch ein wärmebeständiges Glas ersetzt werden, wie es beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Pyrex (Iwaki Glass Co., Ltd.) bekannt ist. In diesem Fall wird das wärmebeständige Glas in Teilchen zermahlen, dann mit den zermahlenen BaTiOo-PTC-Keramik-Teilchen vermischt und zum Schmelzen des Glases auf ungefähr 12 00 ⁰C erwärmt. Die geschmolzene Substanz kann nach Belieben in einer Gußform geformt werden, wie es schon bei Glasschmelzverfahren bekannt ist; danach wird die Substanz nötigenfalls einem Schleifen oder Schneiden mit einer Polierscheibe oder Diamanten unterzogen, um die gewünschte Form und die gewünschten Abmessungen zu erhalten.

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•j Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel· der Heizvorrichtung in einer schematischen Seitenschnittansicht mit einer Fixierwalze 7 und einer Andruckwalze 8. Die Fixierwalze 7 ist innen mit einem später err läuterten rohrförmigen Heizelement 9 versehen und am Umfang mit einer wärmebeständigen dünnen Ablöse- bzw. Abstoß-Deckschicht 10 bedeckt, die beispielsweise aus einem Tetrafluoräthylen-Harz oder einem Silikonkautschuk besteht. Wenn das rohrförmige Heizelement 9 durch

IQ Verwendung eines anorganischen Bindemittels wie Glas steif genug ist, kann es selbst das Substrat bzw. den Tragkörper der Walze 7 bilden; falls jedoch aufgrund der Verwendung eines organischen Bindemittels wie Silikonkautschuk oder Tetrafluoräthylen-Harz das Heizelement 9 nicht steif ist, kann es mit einer steifen Substratbzw. Tragwalze 11 versehen werden, die beispielsweise durch ein Glasrohr oder ein Rohr aus Edelstahl gebildet ist. Es ist natürlich auch möglich, an der Tragwalze 11 ein steifes Heizelement anzubringen. Die Deckschicht 10 kann nötigenfalls mit einem abstoßenden Ablöse- bzw. Trennmittel wie Silikonöl beschichtet werden. Die Andruckwalze 8 wird mit einem beispielsweise aus Metall bestehenden steifen Rohr 12 aufgebaut, das mit einer dicken Schicht 13 aus wärmebeständigem elastischem Material wie Silikonkautschuk oder einem fluoriertem Kautschuk bedeckt ist; die Andruckwalze wird in Andruckberührung mit der Walze 7 gehalten, wodurch die Schicht

13 elastisch verformt wird und mit der Walze 7 einen Klemmspalt zum Erfassen eines Blatts 14 bildet, das ein Tonerbild 15 trägt. Das Blatt 14 wird in den Spalt eingeführt und durchläuft diesen durch die Drehung der Walzen 7 und 8, wobei durch die Erwärmung mittels der Walze 7 das Tonerbild 1'5 geschmolzen und dadurch auf dem Blatt

14 fixiert wird. Das an dem Blatt 14 getragene Tonerbild steht gemäß der Darstellung der Walze 7 gegenüber, kann jedoch auch so angeordnet sein, daß es der Walze 8 gegen-

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übersteht. Das Heizelement 9 der Walze 7 wird mit Spannung versorgt, wie es später erläutert wird; zur Erleichterung der elektrischen Isolierung zwischen der Spannungsversorgung und der Walzenantriebsguelle ist es vorzuziehen / gemäß der schematischen Vertikal-Ansicht in Fig. 5 die Walze 8 in Pfeilrichtung über eine übertragungsvorrichtung 18 wie einen Getriebezug mittels eines Motors 19 anzutreiben und die Walze 7 über isolierende Lager 16 mittels eines Rahmens 17 drehbar zu lagern und sie durch Reibung in der Pfeilrichtung anzutreiben. Die Walze 8 wird durch Lager 20 gehalten, die an dem Rahmen 17 befestigt sind. Es ist jedoch natürlich auch möglich, die Walze 7 anzutreiben und die /Jalze 8 durch Reibung in Umlauf zu versetzen oder beida Walzen 7 und 8 anzutreiben.

Im Vergleich zu herkömmlichen Heizvorrichtungen, bei welchen eine Fixierwalze mittels einer in einer mittigen Höhlung untergebrachten Halogenlampe ader aber von außen her erwärmt wird, ergibt die vorstehend beschriebene Fixierwalze 7, bei der das Heizelement 9 unmittelbar unter der dünnen Deckschicht 10 sitzt, eine Verkürzung der Erwärmungszeit bis zu der Fixierternperatur. Wie im vorstehenden erläutert wurde, enthält das Heizelement 9 Keramikteilchen mit PTC-Eigenschaften, die in einem Bindemittel verteilt sind.

Wie schon vorangehend erläutert wurde, kann die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Tragwalze 11 weggelassen ^ werden, wenn das Heizelement durch Verwendung eines geeigneten Bindemittels wie Glas steif genug zum Tragen der ganzen Walze ausgebildet ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, auch an der Walze 8 ein Heizelement 9 anzubringen, um eine Erwärmung Von

beiden Seiten des Blatts her vorzunehmen.

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] Die als typische PTC-Keramikmaterialien bekannten Bariumtitanat-Keramikstoffe (BaTiO₃) sollten zur Verwendung als Wärmequelle in einer Fixiervorrichtung für ein Tonerbild vorteilhaft so verändert werden, daß sie durch Ersetzung eines Teils des Bariums durch ein anderes Element wie Blei eine höhere Curie-Temperatur haben, wodurch die Arbeitstemperatur für die Wärmefixierung des Tonerbilds an dem Trägermaterial hierfür so gewählt werden kann, daß sie nahe an dem Punkt des steilen Wider-

]Q Standsanstiegs liegt. Beispielsweise kann ein derartiges Keramikmaterial dadurch hergestellt werden, daß Titanoxid (TiO₂), Bariumcarbonat (BaCO₃) und Bleioxid (PbO oder Pb₃O₄) oder Bleicarbonat in einem Atomverhältnis von Ti:Ba:PL· = 1:(1 - x):x vermischt werden, wobei χ im Bereich von 0,05 bis 0,20 liegt, und die erzielte Mischung mit einer Temperatur von 1300 bis 1400 ⁰C behandelt wird. Das so gewonnene Bariumtitanat-Keramikmaterial hat eine Curie-Temperatur innerhalb eines Bereichs von 140 bis 210 ⁰C, bei der gewöhnlicher Toner durch Erwärmen auf dem Trägerblatt fixiert werden kann. Dementsprechend kann bei der Heizvorrichtung derartiges PTC-Keramikmaterial in Form zermahlener Teilchen verwendet werden und bei Wahl der Arbeitstemperatur nahe dem genannten Curie-Punkt das Heizelement 1 o.9 die Temperatur-Selbstregelung ausführen.

Bei den vorangehend erläuterten Beispielen hat

das BaTiO^-PTC-Keramikmaterial Posister oder PTH einen

—6 Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6-7x10 /⁰C und eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 8,4 χ 10 J/cm.s.° (2 χ 10 cal/cm.s.°), während das Bindemittel Aron Ceramic D einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5 bis 8 χ

—6
10 /⁰C und eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 0,46 J/cm.s." (0,11 cal/cm.s.⁰) hat bzw. das Pyrex-Glasbindemittel einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3 bis 6 χ 10 /⁰C und eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 12,6 χ 1O~³ J/cm.s.⁰ (3 γ. 10~³ cal/cm.s.⁰) hat, so daß die Wärme-

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ausdehnungen dieser Bindemittel denjenigen der verwendeten PTC-Keramikstoffe nahekommen. Demgemäß führt auch ein wiederholtes Erwärmen und Kühlen des Heizelements über eine lange Zeitdauer weder zu einer Trennung zwischen dem Bindemittel und dem PTC-Keramikmaterial noch zu einer Rissebildung, so daß eine lange Standzeit des Heizelements gewährleistet ist. Ferner wird durch die große Wärmeleitfähigkeit des Aron Ceramic D-Bindemittels,, die größer als diejenige des verwendeten PTC-Keramikmaterials ist, eine zeitabhängige TemperatürSchwankung an der Oberfläche des Heizelements verringert oder ausgeschaltet, was eine zufriedenstellende Bildfixierung ermöglicht. Falls ein Heizelement 1 gemäß der Darstellung in Fig. 1 ausschließlich aus dem PTC-Keramik-Füllmaterial zusammengesetzt ist, ergibt sich aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Materials eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zwischen dem Oberflächenbereich und dem Innenbereich, so daß an der Oberfläche zeitlich abhängige Temperaturschwankungen hervorgerufen werden; der Aufbau mit den in dem wärmeleitfähigen Bindemittel verteilten kleinen PTC-Keramikteilchen erlaubt jedoch eine schnellere Wärmeleitung durch das Heizelement hindurch, wodurch die genannten Schwankungen verhindert werden.

An die Stelle des vorangehend genannten anorganischen isolierenden Bindemittels können auch organische isolierende Bindemittel treten, wie wärmebeständiger Silikonkautschuk, Nitrilkautschuk, fluorierter Kautschuk, Tetrafluoräthylen-Perfluoralkoxyäthylen-Copolymer-Harze (PFA-Harze), fluorierte Äthylen-Propylen-Harze (FEP-Harze), Poly-Tetrafluoräthylen-Harze (PTFE-Harze) oder dgl. Beispielsweise wird ein mit zermahlanen PTC-Keramikteilchen und einem geeigneten Härtemittel vermischter RTV-Silikonkautschuk nach einem für den

RTV-Silikonkautschuk bekannten Verfahren gehärtet und mit einem Schleifstein geschliffen oder geschnitten, um eine Heizwalze in gewünschter Form und mit gewünschten

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] Abmessungen zu erhalten. Ferner wird ein PFA-Harz in fein pulverisiertem Zustand mit PTC-Keramikteilchen vermischt auf ein geeignetes Substrat aufgetragen, dann nach einem bekannten Verfahren für die Herstellung einer . 5 PFA-Harzschicht bei 380 bis 400 ⁰C gesintert und geschnitten oder nötigenfalls mit einer Polierscheibe poliert, um ein Heizelement in gewünschter Form und mit gewünschten Abmessungen zu erhalten.

]Q Aufgrund der Elastizität eines solchen als Bindemittel verwendeten makromolekularen Materials zeigt das erzielte Heizelement selbst nach wiederholtem Erwärmen und Abkühlen keine Ablösung der hxneindispergierten PTC-Keramikteilchen an der Grenzschicht, so daß sich da-

]5 her eine außerordentlich lange Standzeit ergibt.

Die PTC-Keramikteilchen sollten vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 50 bis 200 μπι haben, da ein Durchmesser von weniger als 5 0 pm aufgrund der verschlechterten Gießbarkeit und Dispersionsfähigkeit solcher kleinen Teilchen zu Schwierigkeiten bei der Formung führt, während ein Durchmesser von über 200 um zu einer verringerten PTC-Wirkung führt, weil aufgrund des vergrößerten Teilchen-Zwischenabstands in der Dispersion der spezifische Widerstand ansteigt. Nichtsdestoweniger kann die Teilchengröße bis zu 3 mm gesteigert werden. Weiterhin sollten diese PTC-Keramikteilchen vorzugsweise mindestens 50 Vol.-% des Gemischs mit dem Bindemittel bilden, da ein. geringerer Volumensanteil zu einer verringerten PTC-Wirkung führt.

Silikonkautschuk und fluorierte Harze, die bei Verwendung als Bindemittel die sog. Abstoßwirkung zum Abweisen einer Tonerablagerung zeigen, verbessern die Abstoßeigenschaften des Heizelements 9 und lassen es zu, die abstoßende Deckschicht 10 oder eine abstoßende Beschichtung wegzulassen, obgleich eine derartige ab-

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AS

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Ί stoßende Beschichtung trotzdem vorzuziehen ist.

Die Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht der Fixierwalze 7 und zeigt die Einrichtungen zum Anlegen einer Spannung an das Heizelement. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Substratwalze bzw. Tragwalze durch ein steifes Heizelement 9 gebildet, bei dem wärmebeständiges Glas als Bindemittel verwendet wird und das an seinen beiden Enden mit aufgedampften Metallschichten 21 aus Kupfer·, Silber oder Nickel versehen ist, die in engem Kontakt mit einem Flanschbereich 22a eines Achsteils 2 2 aus Aluminium oder Edelstahl gehalten werden. Dieses Achsteil 22 ist in das Heizelement 9 eingepaßt und dadurch an diesem festgelegt sowie gemäß den vorangehenden Ausführungen mittels eines isolierenden Lagers an dem Haupt-Rahmen gelagert. Im einzelnen sind die Achsteile jeweils mit einer isolierende abriebfesten Hülse 16a wie z. B. aus Polyimid-Harz versehen, die in ein an dem Hauptrahmen befestigtes Kugellager 16b eingesetzt ist. Ferner wird jedes Achsteil 22 in Gleitberührung mit einer Metall-Schleifbürste 23 gehalten, die einen Schleifkontakt bildet, welcher an eine Spannungsquelle 6a angeschlossen ist, wodurch eine bestimmte Spannung an das aus den in dem Bindemittel verteilten PTC gebildete Heizelement 9 angelegt wird und damit eine für die Wärmefixierung des Tonerbilds notwendige Temperatur erzielt wird.

Die' in der Fig. 6 gezeigte Spannungsspeiseeinrichist auch bei dem an
Heizelement 9 anwendbar.

tung ist auch bei dem an der Tragwalze 11 ausgebildeten

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Anstelle des in Fig. 6 gezeigten Anlegens der Spannung in Längsrichtung kann die Spannung auch in der Radialrichtung des rohrförmigen Heizelements angelegt werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, gemäß der ein Heizelement 9, bei dem als Bindemittel Aron Ceramic D verwendet ist, um eine rohrförmige Tragwalze 11 aus Edelstahl herumgeformt ist, wobei die Tragwalze 11 und das Heizelement 9 an ihrer Grenzfläche elektrisch miteinander verbunden sind. Das Heizelement ist ferner an seinem Außenumfang mit einer aufgedampften Elektrodenschicht 24 aus Silber, Kupfer oder Nickel versehen, die elektrisch über einen Draht 25 oder eine andere geeignete Vorrichtung an ein Achsteil 27 angeschlossen ist, das über Isoliermaterial 26a in ein Ende der Tragwalze 11 eingepaßt ist.

Das Achsteil 27 und ein Achsteil 28 bestehen aus leitendem Material wie Aluminium, wobei das Achsteil in direktem Kontakt mit der Innenwand der Tragwalze 11 fest in diese eingesetzt ist, so daß es elektrisch an die Tragwalze 11 angeschlossen ist und daher der Innenfläche des Heizelements 9 eine Spannung zuführen kann. Die Stirnflächen des Heizelements 9 und der Elektrodenschicht 24 sind mit Isoliermaterial 26 wie beispielsweise einem isolierenden Anstrich elektrisch gegenüber dem Achsteil 28 isoliert. Mittels des Isoliermaterials 26a wie eines isolierenden Anstrichs ist auch das Achsteil 27 elektrisch gegenüber den Stirnflächen des Heizelements 9 und der Tragwalze 11 isoliert.

Durch Anlegen einer Spannung aus einer Spannungsquelle 6a an die Achsteile 27 und 28 über die Schleifkontakte 23, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, erhält das Heizelement 9 Spannung in Radialrichtung, um damit eine °^ Temperatur für die Wärmefixierung des Tonerbilds zu erreichen. Die Elektrodenschicht 24 ist mit einer dün-

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nen abstoßenden Deckschicht 10 bedeckt.

Dieses Anlegen der Spannung in Radialrichtung ist natürlich auch dann möglich, wenn das Heizelement seLbst die Tragwalze bildet. Darüber hinaus kann auch bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung die Andrückrolle gleichfalls mit einem Heizelement so ausgestattet sein, wie es im vorstehenden in bezug auf die Fixierwalze 7 erläutert wurde.

Die Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Heizvorrichtung mit einer Fixierwalze 29, einer Andruckwalze 30 und einer Heizwalze 31. Die Fixierwalze 29 hat einen festen Kern 32, der mit einer dicken elastisehen Abdeckung 33 aus Silikonkautschuk oder fluoriertem Kautschuk mit Abstoßungs- und Wärmeisolier-Eigenschaften bedeckt ist, während die Andruckwalze 3 0 einen festen Kern 34 hat, der mit einer dünnen abstoßenden Beschichtung 35 bedeckt ist, welche beispielsweise aus Silikonkautschuk oder Tetrafluoräthylen-Harz besteht. Die Walzen 29 und 3 0 werden unter gegenseitiger Berührung in die durch die Pfeile angezeigten Richtungen gedreht, um das Blatt 14 durch den Klemmspalt zwischen ihnen hindurch zu transportieren und dabei das Tonerbild 15 thermisch auf dem Blatt 14 zu fixieren. Die Heizwalze 31 wird unter Andruckberührung mit der Fixierwalze 29 in Pfeilrichtung gedreht und erwärmt dabei den Umfang der Fixierwalze 29 auf eine für das Schmelzen des Tonerbilds geeignete Temperatur. Die Heizwalze ist mit einem Heizelement 36

versehen, das auf gleiche Weise wie das Heizelement 9 in einem Bindemittel verteilte PTC-Keramikteilchen enthält. Falls das Bindemittel ein Kautschukmaterial ist, ist das Heizelement 36 um eine Tragwalze 37 aus Edelstahl oder Glas herumgeformt, während die Tragwalze 37 weggelassen werden kann, wenn ein Bindemittel wie Glas eine ausreichende Steifigkeit ergibt. Durch Anlegen einer

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Spannung mittels einer geeigneten Einrichtung, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, wird das Heizelement 36 auf eine bestimmte Temperatur erwärmt, um auf die vorangehend beschriebene Weise die Walze 29 zu erwärmen. Das Heizelement 36 kann an seinem Umfang mit einer dünnen abstoßenden Beschichtung beispielsweise aus Silikonkautschuk oder Tetrafluoräthylen-Harz versehen sein. Ferner kann im Gegensatz zu der in Fig. 8 gezeigten Anordnung die das Tonerbild 15 tragende Fläche des Blatts 14 so angeordnet sein, daß es der Walze 30 gegenüberliegt. Weiterhin kann zur weiteren Steigerung der Fixiergeschwindigkeit die Walze 30 gleichfalls mit einem dem vorstehend beschriebenen Heizelement 36 gleichartigen Heizelement versehen sein.

Die Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Heizvorrichtung, bei dem eine Heizplatte 38 ein Heizelement·41 aufweist, das gemäß den vorangehenden Erläuterungen die in einem Bindemittel verteilten PTC-Keramikteilchen enthält, aber zu einer Platte geformt ist. Das Heizelement ist an seiner oberen und seiner unteren Fläche jeweils mit einer Elektrodenschicht 39 bzw. 4 0 aus aufgedampftem Metall wie beispielsweise Kupfer, Silber oder Nickel versehen, wobei die Elektrodenschicht

■" 39 mit einer reibungsarmen wärmebeständigen Beschichtung 42 abgedeckt ist, die beispielsweise aus einem Tetiäfluoräthylen-Harz gebildet ist. Die Elektrodenschichten 39 und 40 empfangen aus einer Spannungsquelle 6 eine bestimmte Spannung, wodurch das Heizelement 41 auf eine

Temperatur erwärmt wird, die das Wärmefixieren des Toner-bilds 15 an dem Bliatt 14 ermöglicht. Das Blatt 14 wird so transportiert, daß seine vom Tonerbild 15 freie Fläche mit der Beschichtung 42 in Berührung gelangt, wobei das mittels der Heizplatte 38 erwärmte Tonerbild an dem Blatt

fixiert wird. Das Blatt 14 kann jedoch auch so befördert

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^ werden, daß es zwar von der Heizplatte 38 in Abstand steht, dieser jedoch gegenübergesetzt ist, so daß das Tonerbild durch Strahlungswärme fixiert wird. In einein solchen Fall kann die das Tonerbild 15 tragende Fläche des Blatts c 14 der Heizplatte 38 zugewandt werden und in bestimmten Fällen die abstoßende bzw. reibungsarme Beschichtung 42 weggelassen werden. Ferner ist es natürlich im Gegensatz zum Anlegen der Spannung in Richtung der Dicke des Heizelements 41 möglich, die Spannung senkrecht zu der IQ Dicken-Richtung anzulegen, also in Richtung parallel zur Transportrichtung des Blatts 14 oder in Richtung der Breite des Blatts.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränken sich zwar auf Vorrichtungen zum Fixieren des Toners durch thermisches Schmelzen, jedoch ist die Heizvorrichtung auch bei einer Fixiervorrichtung anwendbar, die so ausgebildet ist, daß der Toner an dem Trägerblatt hauptsächlich durch Druck beim Zusammenpressen zwischen einem Paar von Walzen mit einem Druck, der normalerweise mindestens gleich 10 kg je cm Länge der Walzen beträgt, und zusätzliches Erwärmen des Toners und des Trägerblatts fixiert wird. In diesem Fall kann die dem Toner zuzuführende Wärmemenge geringer als bei der Wärmeschmelzungs-Fixierung sein, sodaß das in dem Bindemittel verteilte PTC-Keramikmaterial reines BaTiO₃-Keramikmaterial mit einer Curie-Temperatur von ungefähr 120 ⁰C oder ein BaTiO₃-Keramikmaterial mit abgesenkter Curie-Temperatur sein kann, bei welchem ein Teil des Bariums durch Strontium oder andere geeignete Elemente ersetzt ist.

Zur Erzielung einer höheren Curie-Temperatur kann ferner das Heizelement mit BaTiO -PTC-Keramikteilchen aufgebaut sein, in welchen ein Teil des Bariums durch Blei oder irgendwelchen anderen geeigneten Elemente ersetzt ist.

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Da die Heizelemente bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit in einem Bindemittel verteiltem Keramikmaterial mit PTC-Eigenschaften aufgebaut sind, ist es möglich, nicht nur eine gleichförmige Wärmeverteilung, sondern auch eine beliebige Wärmeverteilung zu erzielen. Beispielsweise besteht bei der Fixierwalze einer Fixiervorrichtung die Neigung, daß sie an den Endteilen die Wärme schneller verliert als in dem mittleren Teil. Zum Vermeiden dieser Erscheinung und zum Erzielen einer gleichförmigeren Wärmeverteilung kann die Menge an PTC-Keramikmaterial in den Endteilen gesteigert oder in dem mittleren Teil verringert werden. Natürlich kann auf die gleiche Weise nach Belieben und leicht eine Wärmeverteilung in anderen Formen erzielt werden.

Wie im vorstehenden ausführlich erläutert ist, erlaubt es das Heizelement der Heizvorrichtung, das einem PTC-Halbleiter-Keramikmaterial gleichartige PTC-Eigenschaften zeigt und auch bei großen Abmessungen frei von Rissen oder Qualitäts-Ung'leichmäßigkeiten ist, eine gleichförmige Obarflachen-Wärmeerzeugung und eine gewünschte Wärmemenge zu erzielen. Ferner gewährleisten die günstigen Beirbeitungseigenschaften eine Herstellung

^ des Heizelements in gewünschter Form und mit gewünschten Abmessungen zu geringen Kosten.

Das Heizelement, bei dem die PTC-Keramikstoffe in

Form von.in einem Bindemittel verteilten Teilchen ver-

wendet werden, i:;t gleichförmig und frei von Rissen, so daß es als Wärmequelle in der Bildfixiervorrichtung ein gleichförmigas Fixieren des Bilds ermöglicht. Ein einwandfreies Fixieren wird auch dadurch unterstützt, daß ein genaues I'ormen zu einer gewünschten Gestalt und auf gewünschte Abmessungen möglich ist, wobei das ein-

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1 fache Formen zu einer preiswerten Fixiervorrichtung führt.

Es wird eine Heizvorrichtung zum Erwärmen eines 5 Objekts mit einem Heizelement angegeben, das mit Keramikteilchen aufgebaut ist, die einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands haben und in einem Bindemittel verteilt sind.

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Claims

Patentansprüche

M .J Heizvorrichtung mit einem Heizelement zum Erwärmen eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (1; 9; 36; 41) Keramikteilchen (2) enthält, die einen positiven Wärmekoeffizienten des Wide.-..-ands haben und in einem Bindemittel (3) verteilt sind.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Walze (7; 31), mit der das Objekt (14, 15; 0 29) in Andruckberührung gehalten wird und die mit einer Heizelement-Schicht (9; 36) mit den Keramikteilchen (2) versehen ist.
3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Plattenelement (38), an dem das Objekt (14, 15) unter Gleitberührung oder Gegenübersetzung transportiert wird und das mit einer Heizelement-Schicht (41) mit den Keramikteilchen (2) versehen ist.
4. Heizvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (14, 15) ein Tonerbild-Trägermaterial (14) mit einem Tonerbild (15) ist und mit der Walze (7) eine zweite Walze (8) in Andruckberührung gehalten ist, wobei das Trägermaterial zwischen den Walzen hindurch transportierbar ist, um das Tonerbild an dem Trägermaterial zu fixieren.

VI/rs

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Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939844

Postscheck iMunchen) Kto. 670-43-804

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5. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der zweiten Walze (29) eine dritte Walze (30) in Berührung gehalten ist, wobei das Tonerbild-Trägermaterial (14) zwischen der zweiten und der dritten Walze hindurchführbar ist, um das Tonerbild (15) an dem Trägermaterial zu fixieren.
6. Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (14, 15) ein Tonerbild-Trägermaterial (14) mit einem Tonerbild (15) ist, welches mittels des Plattenelements (38) an dem Trägermaterial fixiert wird.
7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement oder die Heizelement-Schicht (9; 41) an der dem Objekt (14, 15) zugewandten Stelle und der gegenüberliegenden Stelle mit Elektroden (11, 24; 39, 40) versehen ist, über die eine Spannung anlegbar ist.
8. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement oder die Heizelement-Schicht (9) an einander gegenüberliegenden Stellen in Querrichtung zu einer dem Objekt (14, 15) zugewandten Stelle mit Elektroden (21) versehen ist, über die eine Spannung anlegbar ist.
9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (3) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich demjenigen des Keramikmaterials der Keramikteilchen (2) mit dem positiven Wärmekoeffizienten des Widerstands ist.

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10. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (3) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der größer als derjenige des Keramikmaterials der Keramikteilchen

(2) mit dem positiven Wärmekoeffizienten des Widerstands ist.
11. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (3) abstoßende Wirkung hat.
12. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine abstoßende Schicht (10; 42) an einer Fläche, die mit dem Tonerbild-Trägermaterial (14) in Berührung gelangt.

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