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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Fixiereinrichtung in einem Fotokopiergerät
nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.
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Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, zylinderförmige Walzen
vorzusehen, welche sich längs einer Mantellinie berühren. Auf den Toner muß, um
ihn zum Fixieren zu bringen, ein bestimmter Mindestdruck ausgeübt werden. Diesen
Druck erreicht man, indem man auf die Enden der Walzen eine Kraft ausübt, die sich
längs der Berührungslinie der Walzen fortpflanzt und diese gegeneinanderpreßt. Bei
einem Walzendurchmesser von ca. 60 mm rechnet man pro Zentimeter Walzenlänge mit
einer Streckenlast von 30 kp/cm. Will man deshalb eine DIN-A4-Kopie fixieren, welche
in Längsrichtung zwischen den Walzen hindurchläuft, müssen die Walzen mit 630 kp
belastet werden, d.h. daß auf die Enden der Walzen eine Kraft von 330 kp erforderlich
ist. Diese Kraft darf die Walzen nur geringfügig durchbiegen. Deshalb verwendet
man massive und dicke Walzen.
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Die Verwendung derartiger kalter Walzen hat den Vorteil, daß das
Gerät zum Kopieren keine Aufwärinzeit braucht. Der Nachteil der Druckfixierung des
Toners nach dem Stand der Technik ist jedoch der, daß der Materialaufwand der Fixiereinrichtung
sehr groß ist, wodurch das Gerät einerseits verteuer und andererseits gewichtsmJ'tig
sehl sT schwer wi rd. e bekannte Fixiereinrichtung nach dem Stand der Technik, welche
zwei Druckwalzen mit einem Durchmesser von 58 mm aufweist, wiegt etwa 18 kg.
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Der Hauptnachteil derartiger Fixiereinrichtungen ist jedoch der,
daß, wenn auf die Enden der Walzen die notwendigen Kräfte ausgeübt werden, sich
die Druckverteilung zur Mitte
der Walzen hin abschwächt, d.h. der
Druck verteilt sich nicht gleichmäßig über die gesamte Länge der Walzen.
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Um diesen Nachteil abzuhelfen, hat man bereits vorgesehen, zwei zylindrische
Walzen unter einem kleinen Winkel zueinander anzuordnen, so daß sich die Walzen
zunächst nur in der Mitte der Walzen in einem Punkt berühren. Wird jetzt.
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auf die Enden der Walzen die notwendige Kraft ausgeübt, so verformen
sich die Walzen so, daß sich die Walzen über ihre ganze Länge berühren. Die Druckverteilung
bei dieser Ausbildung ist wesentlich besser, d.h. gleichmäßiger als bei der erstgenannten
Ausbildung. Jedoch hat diese Einrichtung den Nachteil, daß auf das Papier Scherkräfte
ausgeübt werden, die zu einem bleibenden Verbiegen des Papieres führen.
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Als weitere Lösung des aufgezeigten Problems hat man bereits vorgeschlagen,
die Walzen tonnenförmig (konvex) auszubilden, so daß ihr Durchmesser in der Mitte
etwas größer ist als an den Enden. Preßt man derartige Walzen aufeinander, so kann
bei richtiger Kontur der Tonnenform exakt eine gleichmäßige Druckverteilung über
die Walzenlänge erreicht werden.
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Diese Ausbildung hat jedoch den Nachteil, daß das Kopierpapier über
die Breite der Walzen unterschiedlich schnell transportiert wird, im vorliegenden
Fall in der Mitte der Walze schneller als an den Rändern. Dies bewirkt, daß das
Papier von den Seiten her zur Mitte der Walzen gedrückt wird, so daß sich in der
Mitte eine Quetschfalte bilden kann, welche in jedem Fall unerwünscht ist.
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Um die Kräfte, mit denen Fixierwalzen gegeneinandergedrückt werden
müssen, kleiner zu halten, hat man des weiteren Fixiereinrichtungen mit drei Walzen
vorgesehen, wobei eine mittlere dünnere Walze durch zwei dickere Walzen abge-
stützt
wird.
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Auch diese Ausbildung zeigt Nachteile.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit Walzen arbeitende Fixiereinrichtung
anzugeben, welche eine gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Länge der Walzen
erzielt, die ferner gewichtsmäßig leicht ist und darüber hinaus eine kleine Bauweise
gestattet.
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Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches
1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wird in die Dimensionierung
der Walzen bewußt die Verformung einkalkuliert.
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Wegen der Abstützung der Walze in der Mitte muß sie dort einen geringeren
Durchmesser aufweisen als an den Enden.
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Aber sie kann im Vergleich zu den Walzen nach dem Stand der Technik
dünner sein, was geringere Kräfte, die die Walzen gegeneinanderdrücken, zuläßt.
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Damit erfordert die erfindungsgemäße Walzenausbildung nur einen geringen
Materialeinsatz, und sie t ein geringes Gewicht, was sich preisgünstig auswirkt.
Außerdem bildet sich bei der erfindungsgemäßen Ausbildung auch keine Mittelfalte
mehr im Kopierpapier. Da der kleinste Durchmesser der Walzen in der Mitte liegt,
strecken die äußeren dickeren Enden der Walzen das Kopierpapier beim Durchlauf,
was sich jedoch nicht nachteilig auswirkt.
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Werden die erfindungsgemäßen Walzen gegeneinandergepreßt, dann versuchen
die Enden der Walzen sich entgegengesetzt seitlich wegzudrehen. Deshalb werden die
Walzenenden in weiterer Ausgestaltung der Erfindung hiergegen abgestützt,
zum
Beispiel durch seitlich angebrachte Rollen.
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Als vorteilhaft hat sich eine integrierte Lösung erwiesen, bei der
in den Enden der Hohlwalzen Gleitbuchsen oder ausgebuchste Kugellager angebracht
sind, welche durch ein Langloch, durch das die Stützachse mit entsprechenden Abfl
achungen greift, am Mitdrehen gehindert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Fixiereinrichtung können eine oder zwei
Hohlwalzen vorgesehen sen. Im Prinzip genügt eine als Ilohlwalze ausgebildete Walze
mit den erfindungsgelliäßen l.igenschaften, der eine weitere zylindrisch geformte
Walze gegenübersteht.
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Die Erfindung soll sämtliche möglichen Walzenkombinationen einschließen,
auch den Fall, daß die Gegenwalze zum Beispiel eine geheizte Walze ist oder daß
die Walze nach dem Erfindungsgegenstand eine elastische Oberflächenschicht, zum
Beispiel eine Silikongummischicht aufweist.
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Wenn auch die nachfolgenden Beschreibungen von Ausftihrungsbeispielen
nur Ausfi'ihrtingsbeispiele zeigen, bei denen die Punktlast in der Mitte der erfindungsgemäßen
Walze mit Hilfe einer sich nicht drehenden Achse erreicht wird, so sollen doch auch
sämtliche Lösungen unter den Patentanspruch fallen, bei denen die Punktlast über
eine drehbare Welle mit Außenlagern, zum Beispiel mittels cines Schwenklagers, eingeleitet
wird. ic drehbare Welle dreht dann durch einen Mitnehmer die Walze.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen sowie
der Zeichnung und deren Beschreibung entnommen werden.
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Auf den Zeichnungen sind der Stand der Technik und Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 eine Fixiereinrichtung nach dem
Stand der Technik in Seitenansicht; Fig. 2 die Ansicht der Fig. 1 in Richtung des
Pfeiles II; Fig. 3 eine (;raphik zur Erläuterung der Wirkungsweise; Fig. 4 die erfindungsgemäße
Ausbildung einer Walze im Längsschnitt im nicht belasteten Zustand; Fig. 5 zwei
zusammenwirkende erfindungsgemäße Walzen im belasteten Zustand; Fig. 6 die Seitenansicht
der Fig. 5; Fig. 7 ein geändertes Ausführungsbeispiel; Fig. 8 ein geändertes Ausführungsbeispiel.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 sind zwei zylindrisch ausgebildete, massive
Walzen 1 und 2 vorgesehen, auf deren Enden die Kräfte P ausgeübt werden. Zwischen
den Walzen läuft ein Kopierpapier 3 in Richtung des Pfeiles 9 hindurch. Der auf
dem Kopierpapier abgelagerte Toncr 4 wird t't rcll die Walzen 1 und 2 zum Fixieren
gebracht, indem durch den [)ruck der TOllOt' erweicht und sich mit dem Kopierpapier
verbindet.
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Bei dieser Ausbildung ergibt sich über die Länge L der Walzen gemäß
Fig. 3 die dort eingezeichnete Streckenlast, d.h. an den Enden der Walzen ist der
Druck höher als in.der Mitte der Walzen, was durch die Deformation der Walzen bedingt
ist. Die ideale Streckenlastverteilung und somit Druckverteilung ist strichpunktiert
als Kurve 5 eingezeichnet und beträgt über die gesamte Walzenlänge beider Walzen
2P/L.
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Beim Zusammenpressen der Walzen 1 und r verformt sich haupt-
sächlich
das durchlaufende Kopierpapier im Bereich 6. Aus der rein mathematisch zu betrachtenden
Streckenlast entsteht so im Berührungsstreifen 6 ein Druck, der den Toner zum Fixieren
bringt.
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Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung. Es sind zwei Walzen
10 und 11 vorgesehen, zwischen denen das Kopierpapier hindurchgeführt wird. Die
Walze 11 entspricht der Walze 2 gemäß den Fig. 1 und 2. Die Walze 10 ist hohl ausgebildet
und, wie in Fig. 4 übertrieben dargestellt worden ist, ist ihr Mantel 7 konkav gebogen
bzw. geschliffen, so daß ihr Außendurchmesser in der Mitte geringer ist als an den
Enden. In der Mitte ist in der Walze 10 ein Nadellager 12 eingepaßt, durch das eine
Achse 13 greift. Wird auf die Enden 14 und 15 der Achse 13 eine Kraft P/2 ausgeübt,
dann wirkt mittels der Achse 13 die Kraft P auf das Nadellager.
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Zum leichteren Verständnis wird angenommen, daß sich die Walze 11
nicht deformiert. Die Kraft P verbiegt nun die erfindungsgemäße Walze 10, und zwar
wird eine Berührung beider Walzen über ihre ganze Länge dann erreicht, wenn P =
(P/L).L ist, wobei der Ausdruck (P/L) der Streckenlast, zum Beispiel 20 kp pro Zentimeter
entspricht und die notwendige Durchbiegung durch Dünnerschleifen der Walze erreicht
wird. Mit ausreichender Annäherung darf angenommen werden, daß die Kurve der Mantellinie
ein Kreisbogen ist.
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Eine erfindungsgemäße Walze mit zum Beispiel folgenden Dimensionen
erfüllt die Forderung nach einer Streckenlast von 20 kp pro Zentimeter für ein DIN-A4-Kopierpapier,das
in Längsrichtung zwischen den Walzen hindurchläuft.
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Der Durchmesser des Walzenrohres aus Stahl beträgt 36 mm.
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Die Wandstärke 7 beträgt 3 mm. Die Länge L der Walze 10 beträgt 220
mm, so daß sie für die Fixierung der DIN-A4-Kopie
(längs) ausreicht.
Die Achse 13 besteht aus Stahl, und ihr Durchmesser beträgt 17 mm. Der Belastungsabstand,
d.h. der Abstand der auf die Achse 13 wirkenden Kräfte P/2 beträgt 250 mm.
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Der Durchmesser der Walze ist um 0,04 mm konkav geschliffen, so daß
der Außendurchmesser d in der Mitte der Walze um 0,08 mm geringer ist als der Außendurchmesser
D an den Enden der Walze.
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Die Kräfte P/2 betragen 220 kp, so daß sich im Nadellager 12 eine
Punktlast von 440 kp ergibt. ei diescr Kraft beträgt die Durchbiegung der Walze
0,04 mm, d.h. die Walze 10 berührt die Walze 11 längs einer Geraden. Die Punktlast
P steht dann mit einer Streckenlast von 20 kp pro Zentimeter längs der Geraden im
Gleichgewicht. Die die Kraft übertragende Welle 13 biegt sich hierbei an ihren Enden
um 1,6 mm durch.
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Fig 5 zeigt zwei der erfindungsgemäßen Walzen 20 rund 21 in belasteter
Form, d.h. durch die Kräfte P/2 so weit durchgebogen, daß sich beide Walzen längs
einer Geraden 2.2 (Mantellinie) berühren. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie im
vorhergehenden Beispiel. Es wird hierbei voratisgesetzt, daß mindestens eine von
beiden Walzen durch geeignete Mittel angetrieben wird.
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Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht der Fig. 5.
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Die Enden der Walzen werden mit Kugellagern 23, 24, 25 und 26 seitlich
abgestützt, so daß sie nicht seitlich auswandern können.
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Fig. 7 zeigt eine geänderte Ausbildung. Hier ist in den Enden jeder
Walze wie für die Walze 20 im rechten Teil der Fig. 7 gezeigt, eine Gleitbuchse
31 bzw., wie im linken Teil der Fig. 7 dargestellt, ein ausgebuchstes Kugellager
33 angeordnet. In den Lagern ist ein Langloch 30 vorgesehen. Durch
dieses
Langloch 30 greift die Achse 13 mit Abflachungen 32 und 33. Man erkennt, daß sich
die Achse 13 in dem Langloch bewegen kann, wie es erforderlich ist, wenn auf die
Enden der Achse 13 ein Druck ausgeübt wird. Die. Gleitbuchse 31 oder das gebuchste
Kugellager 33 ist zur seitlichen Stützung der Walzenenden vorgesehen.
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Fig. 8 zeigt eine kombinierte Ausführung der erfindungsgemäßen Walze
mit einer geheizten Walze. Es ist hier eine erfindungsgemäße Walze 40 vorgesehen.
Auf die Enden der durchgreifenden Achse 42 drücken wiederum die Kräfte P/2, so daß
sich die Walze 40 längs einer Linie 43 an eine zylinderförmige Walze 44 anlegt.
Die Walze 44 ist hohl und trägt im Innern ein Heizelement 45. Bei dieser Ausbildung
wird der Toner nicht nur durch den Druck der Walze 40 zum Fixieren gebracht, sondern
gleichzeitig auch durch Erwärmung. Bei dieser Ausbildung kann der Druck auf die
Enden der Walzen 40 geringer gehalten werden, und die Durchbiegung der Walze 40
braucht dementsprechend nicht so groß zu sein wie bei dem vorhergehenden Beispiel,
d.h. die Konvexität kann geringer gehalten werden. Allerdings muß hierbei eine eventuelle
Deformation der Heizwalze mit berücksichtigt werden.