DE3107290A1 - Heizvorrichtung - Google Patents
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Description
Τιρπτκ-ρ - BnHMMf- - Κη&3φ '"'-" -: Patentanwälte und
GD .-'--■--' ■--·.. -.-... Dipl.-Ing. H.Tiedtke
RUPE - Pellmann η
η . D.pi.-chem. α
-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.
13ÖÖ61/053Q
Deutsche B, riK (München) K!o 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 SW Postscheck (München) Kto. 670-43-804
- ff - DE 106 8
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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- 7 - DE 1068
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.
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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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:C .:. 3107230
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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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- J« -AA DE 1068
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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■-':.■ λ 3107230
- VS - Al DE 106 8
] 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-
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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-Ab DE 1068
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
•130061/0530
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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
- ye - DE 1068
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.
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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- VS -ff\ DE 1068
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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Ο':--1-:-.:;-:;;. j 310729α
- ygr -Α% de 1068
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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- 3*r -43 DE 1068
^ 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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- ^T - DE 106 8
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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- 3<g- - 9Λ DE 1068
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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Leerseite
Claims (12)
- PatentansprücheM .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/rs130061/0530Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070Dresdner Bank (München) Kto. 3939844Postscheck iMunchen) Kto. 670-43-804- Jg - Ä DE 1068
- 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.130061/0530DE 106
- 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.130061/053
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