DE3419646A1

DE3419646A1 - Thermische fixiervorrichtung

Info

Publication number: DE3419646A1
Application number: DE3419646A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Kumagaya Saitama Sasaki
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1983-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1984-11-29
Also published as: US4627813A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung bei einer thermischen Fixiervorrichtung, die in einem Gerät wie z.B. einer Kopiermaschine, einem elektronischen Drucker u.a. eingesetzt wird, und die dazu benutzt wird, ein Tonerbild auf einem Träger wie z.B. einem Papierblatt zu fixieren, das zwischen einem Paar von wechselseitig unter Druck miteinander in Berührung stehenden Walzen durchgeführt wird, wobei wenigstens eine dieser Walzen eine Heizfunktion ausführt.

Es sind einige thermische Fixiervorrichtungen vom Walzentyp bekannt, die die Fixierfunktion in einer Kopiemaschine oder einem elektronischen Drucker ausführen (vgl. z.B. japanische Offenlegungsschrift 49-81041 und 53-145635 sowie die japanische Patentschrift 54-19347). Ein Beispiel solcher Vorrichtungen umfaßt ein Paar von Walzen, von denen eine eine wärmebeständige elastische Schicht aus einem Material wie z.B. Silicongummi u.a. und/oder einer, hochschmelzenden Materialschicht wie z.B. Polytetrafluorethylen aufweist, die auf der Außenseite eines metallischen Hohl-Zylinders aufgetragen sind, der mit einer Heizquelle wie z.B. einer darin befindlichen Infrarotlampe, Halogenlampe oder einem Nichrom-Draht versehen ist, und einer anderen Walze aus einem metallischen Hohlzylinder ohne eine Heizquelle. Einen Querschnitt durch eine konventionelle Vorrichtung dieser Art ist in Fig. 1 dargestellt. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine beheizte Walze, 2 eine Druckwalze, und 3 Seitenplatten zum Abstützen der Heizwalze und der Druckwalze an deren beiden Enden mittels (nicht dargestellten) Lagern. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Führung für die Papierzufuhr und das Bezugszeichen 5 ein Papier, das ein Tonerbild 6 trägt.

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wird im Inneren des Metallzyiinders 8 angeordnet. Die Druckwalze 2 wird gebildet, indem man die Außenoberfläche eines hohlen Metallzylinders 10 mit einer elastischen und hochschmelzenden Materialschicht 11 bedeckt. Die Walzen 1 und 2 werden in gegenseitigem Druckkontakt montiert, so daß sie einen Klemmspalt bilden, durch den das das Tonerbild tragende Papier durchläuft. Der zwischen den beiden Walzen ausgeübte Druck wird so gesteuert, daß eine vorgegebene Klemmstellenbreite in der Richtung, in der das Papier zugeführt wird, gegeben wird (im folgenden auch als Kontaktweite bezeichnet). Beim Betrieb wird die Heizquelle 7 aktiviertem Wärme der Oberfläche der Heizwalze 1 über den Metallkern und die isolierende Schicht zuzuführen. Die Walzen 1 und 2 drehen sich in den in Figur 1 mit den Pfeilen angezeigten Richtungen, um das Papier entlang der Papierzufuhrführung 4 in der mit einem weiteren Pfeil angezeigten Richtung zu befördern.

Im Vergleich mit anderen thermischen Fixiervorrichtungen wie z.B. dem Ofentyp und dem Blitzlampentyp ist eine Fixiervorrichtung der in Figur 1 dargestellten Art vorteilhaft, da der Energieverbrauch geringer ist, der Mechanismus ist zuverlässiger und die Geschwindigkeit des Fixiervorganges ist höher. Jedoch ist eine solche Vorrichtung nachteilhaft insofern, als eine relativ lange Vorheizzeit von wenigstens einer Minute erforderlich ist, um die Temperatur der Oberfläche der Heizwalze in dem Betriebstemperaturbereich in der Größenordnung von 150 bis 200 ⁰C nach dem Einschalten der Leistungsversorgung zu bringen.

Um diese Vorheizzeit zu reduzieren kann man den Durchmesser oder die Dicke des Hohlzylinders der Walze herabsetzen, um dadurch die Wärmekapazität der Walze zu verringern. Dies führt jedoch zu dem Erfordernis, daß ein größerer Druck für den Druckkontakt der Walzen ausgeübt wird obgleich gewöhnlich ein Druck von etwa 4,9.N/cm bis 9,8 N/cm (0,5 bis 1,0 kp/cm) ausgeübt wird, so daß eine ausreichende

Kontaktweite gebildet wird,um für die Fixierung eine ausreichende Kontaktzeit sicherzustellen. Weiterhin verringert die Reduzierung des Durchmessers oder der Dicke der Walze deren Starrheit und Widerstandsfähigkeit gegen größere angewendete Drücke. Ist der Druck für den Druckkontakt der Walzen unzureichend, so tritt ein unzureichender Druck zum Fixieren und eine unzureichende Kontaktweite bezüglich des longitudinalen Zentrums der Walzen auf, was eine schlechte Fixierung verursacht.

Weiterhin hat eine höhere Leistungszufuhr zu dem Heizer den Nachteil, daß beim Vorheizen die Heizquelle dazu führen kann, daß die Temperatur an der Oberfläche der Walze über die gewünschte Betriebstemperatur hinausschießt, was zu einer längeren Stabilisierungszeit und damit zu keiner Reduzierung der Vorheizzeit führt.

In den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 50-27550, . 50-93658, 50-161244, 51-9457 und 54-83440 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, nach der zum Abkürzen der Vorheizzeit eine Hilfsheizquelle verwendet wird.

Diese bekannte Lösungsmöglichkeit ist jedoch nicht praktisch angewendet worden, weil das Papier bei Kontakt mit der Hilfsheizquelle leicht verbrannt wird und der thermische Wirkungsgrad gering ist.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Fixiervorrichtung anzugeben, die nicht die Nachteile des oben beschriebenen Standes der Technik besitzt.

Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Fixiervorrichtung anzugeben, bei der die Vorheizzeit reduziert ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, den Durchmesser und die Dicke des verwendeten Metallzylinders herabzusetzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine thermische Fixiervorrichtung vor, die ein Paar von Walzen

aufweist, von denen wenigstens eine mit einem darin befindlichen Heizer ausgestattet ist, und die andere Walze eine elastisch deformierbare äußere Oberfläche besitzt. Die beiden Walzen sind aneinandergesetzt, um zwischen ihnen eine Klemmstelle festzulegen, durch die ein Träger mit hindurchtritt, der ein Tonerbild trägt. Es wird eine plattenförmige Gestalt des Heizelementes mit einer Breite vorgesehen, die der axialen Länge der Walzen entspricht. ..Das Heizelement hat eine plattenförmige Form, ist parallel zu dem Durchgang des das Tonerbild tragenden Trägers angeordnet und erstreckt sich zu den beiden Walzen. Eine Kante des Heizelementes ist benachbart zur Oberfläche von einer der Walzen angeordnet. Vorzugsweise ist der plattenförmige Heizer mit einem Halbleiter wie z.B. einem PTC Thermistor oder NTC Thermistor gebildet, um ein schnelles Aufheizen zu erzielen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch

eine konventionelle thermische Fixiervorrichtung; . Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer thermischen Fixiervorrichtung nach der Erfindung;

Figur 3 zeigt in einem Diagramm die Temperaturverteilung in longitudinaler Richtung der Oberfläche der Heizwalze in der Vorrichtung nach Figur 2; Figur 4 zeigt in einem Diagramm die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Heizelementes in

longitudinaler Richtung;

Figur 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der thermischen Fixiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin-5 dung;

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Figur 6 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Oberflächentemperatur und der Aufheizzeit eines in der Erfindung verwendeten Heizelementes ; und

Figur 7 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen

der Oberflächentemperatur und der Aufheizzeit der Heizwalze.

Unter Bezugnahme auf die schematische Querschnittsdarstellung der Figur 2 wird die vorliegende Erfindung im einzelnen und im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.

In der Figur 2 sind die gleichen Elemente wie in der Vorrichtung nach Figur 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und dementsprechend ist deren weitere Beschreibung fortgelassen.

Insbesondere sind in der Figur 2 der Aufbau und die Anordnung der beheizten Walze .1 und der Druckwalze 2 - die gleichen wie bei der Vorrichtung nach Figur 1, mit der Ausnahme, daß die beheizte Walze 1 und die Druckwalze. 2 in Figur 2 ein hohles zylindrisches Teil aufweisen, dessen Durchmesser und Dicke geringer ist als bei der entsprechenden Walze in Figur 1, so daß sie eine geringere Wärmekapazität aufweisen.

Weiterhin ist bei der Figur 2 eine plattenähnliche Form des Heizelementes 12 vorgesehen. Das Heizelement 12, das im wesentlichen plattenähnliche Gestalt hat, hat eine Breite , die im wesentlichen gleich der Länge der Heizwalze ist. Das Heizelement 12 ist gegenüber der Führung 4 angeordnet.

Wenn ein Papiertrager 5, der ein Tonerbild 6 auf sich trägt, in der in der Figur 2 mit dem Pfeil angedeuteten Richtung entlang der Papierzufuhrführung 4 zu der Klemmstelle zwischen zwischen der Heizwalze 1 und der Druckwalze 2 transportiert wird, so wird das Heizelement 12 gespeist,

so daß das auf dem Träger 5 befindliche Tonerbild auf eine Temperatur erhitzt wird, die vorzugsweise höher als der Erweichungspunkt des Toners ist (typischerweise 100 bis 130 ⁰C). Demzufolge befindet sich der Toner vor der Fixierung in einem halbgeschmolzenen Zustand, so daß man eine ziemlich befriedigende Fixierung erhält ohne daß es notwendig ist, den Fixierdruck zu erhöhen und die Kontaktweite der Klemmstelle zwischen den beiden Walzen zu verändern. Da das Heizelement 12 entsprechend der Figur 2 in einer Stellung nahe bei der Heizwalze 1 angeordnet ist, muß die Temperatur des Heizelementes 12 ausreichend niedrig sein, so daß die wärmebeständige Trennmittelschicht 8, die die Außenoberfläche der Heizwalze 1 bildet, nicht beschädigt wird. Besteht beispielsweise diese Schicht aus Polytetrafluorethylen, so sollte die Oberflächentemperatur des Heizelementes 12 nicht 250 ⁰C überschreiten. Weiterhin ist es aus dem Gesichtspunkt des Energieverbrauches wünschenswert, . daß eine niedrigere Temperatur aufrechterhalten wird.

Um den Heizwirkungsgrad zu verbessern sollte das Heizelement so nahe wie möglich an der Papierzufuhrführung 4 angeordnet sein, vorzugsweise in einem Abstand von nicht mehr als etwa 20 mm. Die Spaltlänge £ zwischen dem Heizelement 12 und der Papierzufuhrführung 4 sollte ausreichend groß sein, jedoch so, daß keine PapierStörungsprobleme ("Papiersalat") hervorgerufen werden.

Vorzugsweise sollte das Heizelement 12 so angeordnet werden, daß die in dem Diagramm der Figur 4 dargestellte Temperaturverteilung erzielt wird; d.h. ein Muster, bei dem die beiden Endteile des Heizelementes 12 eine Oberflächentemperatur haben, die höher als in ihrem zentralen Teil ist. Auf diese Weise wird dann, wenn der das Tonerbild 6 -tragende Träger 5 sich in der mit dem Pfeil in Figur 2 angedeuteten Richtung bewegt, das Tonerbild 6 durch Strahlung mit dem Heizelement 12 geheizt, so daß man das in Figur 4

angedeutete Temperaturverteilungsniüster erhält. Der Träger 5 tritt dann in die Klemmstelle zwischen der beheizten Walze 1 und der Druckwalze 2 ein. Aufgrund der Gegenwart von Aufbaukomponenten wie z.B. Lagern oder Zahnrädern an den Endteilen der Heizwalze 1 besitzt die Heizwalze 1 die in Figur 3 dargestellte Temperaturverteilung. Das bedeutet, daß die Temperatur an den Endteilen der Heizwalze 1 geringer ist als an deren Zentralteil. Dementsprechend wird das Tonerbild, das an den Endteilen mehr erhitzt worden ist, in dem Zentralteil in den Walzenspalt mehr erhitzt und wird gleichmäßig über seine Breite aufgeschmolzen und auf dem Träger fixiert.

Falls notwendig kann entsprechend der Figur 5 ein Temperatursensor 13 vorgesehen werden, um die Oberflächentemperatur des Heizelementes 12 und ebenfalls der Heizwalze 1 zu steuern.

Ausführungsbeispiel 1

Eine thermische Fixiervorrichtung entsprechend der Darstellung der Figur 2 wurde aufgebaut. Bei dieser Vorrichtung weist die Heizwalze 1, die eine Fixierlänge von 280 mm besitzt, ein Rohr 8 aus rostfreiem Stahl auf, dessen Außendurchmesser 27 mm und dessen Wandstärke 1 mm betragen. An den beiden einander gegenüberliegenden Endteilen des Rohres wurden Wellen angebracht. Das Rohr wurde mit "Teflon" (PoIytetrafluorethylen; ein Warenzeichen der Dupont Company) mit einer Dicke von etwa 20 bis 35 ym beschichtet. Innerhalb des Rohres 8 wurde eine Halogenlampe angeordnet, die sich entlang der Länge von 280 mm erstreckt. Die Druckrolle 2 wurde aus einem Rohr einer Aluminiumlegierung gefertigt, auf deren Außenoberfläche sich eine Schicht aus Silicongummi befindet. Das Heizelement 12, das aus einer PTC-Thermistor-Platte besteht, auf die zwei Metallelektroden aufgeschichtet sind, besaß eine Breite von 50 mm für die Anpassung an die Papierblattgröße B4. Der Abstand zwischen dem Heizelement 12 und

dem Papier betrug etwa 7 nun. Der Linienkontaktdruck zwischen der Heizwalze 1 und der Druckwalze 2 betrug etwa 0,5 kg/cm. Die Heizwalze wurde mit einem Antrieb in Drehung versetzt, und dann wurde die Druckwalze durch die Heizwalze aufgrund der zwischen ihnen bestehenden Reibung in Drehung versetzt. Der verwendete Träger war ein Blatt Papier der Größe B4 mit einer Dicke von etwa 100 pm. Die Transportgeschwindigkeit des Papiers war 150 mm/sec bei den in der unten aufgeführten Tabell 1 angegebenen Bedingungen.

Bei dem mit dieser Vorrichtung ausgeführten Fixiervorgang trat keine Papierstörung auf. Weiterhin wurde kein signifikantes Abziehen des Toners beobachtet, und die Gesamtqualität der Bildfixierung war sehr gut. Die Vorrichtung konnte mit Erfolg etwa 25 Sekunden nach dem Betätigen der Halogenlampe 7 und des plattenförmigen Heizers in Gang gesetzt werden.

Druckwalzen mit verschiedenen anderen Außendurchmessern wurden eingesetzt, insbesondere innerhalb eines Bereiches von 20 bis 300 mm, und der Druck zwischen der Druckwalze 2 und der Heizwalze 1 wurde so verändert, um eine veränderte Kontaktweite zu liefern, insbesondere in einem Bereich von eta 3,0 bis 3,5 mm. Die Fixierbreite der Walzen wurde in einem Bereich von etwa 260 bis etwa 280 mm verändert. Zufriedenstellende Fixiervorgänge wurden für diese Bereiche ausgeführt. Der verwendete Toner besitzt als Hauptbestandteile 3 6 Gew.-% an einem Bisphenol-artigen Polyesterharz (insbesondere ein zahlenmäßiges mittleres Molekulargewicht von 5.700, ein gewichtsmäßig gemitteltes Molekulargewicht von 63.000, eine Glasübergangstemperatur von 67 ⁰C und einen Erweichungspunkt von 123 ⁰C), 5 Gew.-% an Styrenbutadiencopolymer (Produkt: Goodyear S5B), 1,5 Gew.-ΐ an Polypropylen (Sanyo Chemical Viscol 55OP), 2,5 Gew.-% an einem Antistatikmittel (Orient Chemical Bontron E83) und 55 Gew.-% an Magnetpulver (Toda Industrial EPT 1000). Jeder 5 Bestandteil wurde zunächst in einem Druck-Kneter für

20 Minuten bei einer Temperatur von 140 ⁰C geknetet, bis zur Verfestigung abgekühlt und dann in einer Strahlmühle pulverisiert. Der pulverisierten Mischung der vorangenannten Bestandteile wurde sodann 0,6 Gew.-% an Silica (Siliziumoxid) in Mikropulverform zugesetzt, und dann wurde ein trockener Mischvorgang bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Mischung wurde dann im zerstäubtem Zustand durch einen heißen Luftstrom von 150 ⁰C als Kugelformbehandlungsvorgang geleitet. Schließlich wurden O,5 Gew.-% an Silica in Mikropulverform zugesetzt, um damit einen Magnettoner zu erhalten, dessen Teilchengröße im Bereich von 5 bis 20 Mikrometer liegt. Die so erzeugten Tonerteilchen haben eine Reibladungsspannung von weniger als -5 yc/g und einen

oder mehr.

Tabelle 1

1 4 und einen elektrischen Widerstand von mehr als 10 0hm-cm

plattenförmiger Heizwalze Heizer

Oberflächentemperatur 160 ⁰C 180 ⁰C

Leistungsverbrauch 300 W 700 W

(gesamte elektrische Energie: 1000 W)

In einem ähnlichen Experiment, bei dem der plattenförmige Heizer eine Oberflächentemperatur von 250 ⁰C hatte, wurde herausgefunden, daß die Spaltlänge Z etwa 25 mm betragen sollte, um optimale Fixiereigenschaften zu erzielen. Wenn die Fixiergeschwindigkeit, nämlich die Geschwindigkeit, mit der das Papier transportiert wird, verän-. dert wird, so sollten die Breite und die Oberflächtentemperatur des Heizers und die Oberflächentemperatur der Druckwalze geändert werden.

Beispiel 2

Die Bedingungen waren die gleichen wie bei dem Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Temperaturen an den gegenüberliegenden Enden und in dem Zentralteil des Heizelementes die in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführten Werte hatten:

Tabelle 2

	Oberflächen	Zentralteil	Heizelement	Heizwalze
	temperatur	gende Enden	160 °C	18O ⁰C
10		180 °C	160 ⁰C

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel war ein Temperatursensor (vgl. Figur 5) an der Oberfläche des Heizelementes 12 vorgesehen, mit dem die Oberflächentemperatur des Heizelementes 12 bei 160 ⁰C gehalten wurde. Für diesen Fall sind die Beziehungen zwischen der Oberflächentemperatur und der Heizzeit des Heizelementes 12 in Figur 6 dargestellt, und die Beziehung zwischen der Oberflächentemperatur und der Heizzeit der Heizwalze 1 sind in Figur 7 dargestellt.

In den Fällen der Beispiele 2 und 3 erhielt man ebenfalls sehr zufriedenstellende Fixierergebriisse.

Bei der voranbeschriebenen Erfindung ist die Zeitspanne zwischen dem Einschalten und dem Zeitpunkt, zu dem

die Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Fixiervorganges einsatzbereit ist, erheblich gegenüber den im Stand der Technik bekannten Versuchen herabgesetzt. Weiterhin werden damit Fixierergebnisse guter Bildqualität erzielt.

Hiermit ist die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele abgeschlossen. Obgleich bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, sind zahlreiche Modifikationen und Abänderungen dem Fachmann möglich ohne daß diese aus den Gedanken und dem Umfang der Erfindung herausführen.

- Leerseite -

Claims

STREHL- --SCHL'BEL-HGPF ^: SCHULZ

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WIDENMAYERSTKASSE 17. I) HOC)O MUNCHKN 22

HITACHI METALS, LTD.

DEA-26 648 ~ 25. Mai 1984

Thermische Fixiervorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

1 . I Thermische Fixiervorrichtung,
^k—s

gekennzeichnet durch

ein Paar von miteinander in Kontakt stehenden und miteinander eine Klemmstelle bildenden Walzen (1, 2), von denen wenigstens eine Walze (1.) geheizt wird und die andere Walze (2) mit einer elastisch deformierbaren Außenschicht (11) bedeckt ist, und durch

ein plattenförmiges Heizelement (12) mit einer Breite, die im wesentlichen der axialen Länge des Walzenpaares entspricht und das im wesentlichen parallel zum Durchgang des ein Bild tragenden Blattes (5), das zu der Klemmstelle befördert wird, angeordnet ist, wobei eine Kante.des Heizelementes benachbart zur Oberfläche von einer der Walzen angeordnet ist.
2. Thermische Fixiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur des Heizelementes weniger als 250 ⁰C beträgt.
3. Thermische Fixiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur des Heizelementes an seinen zu den Enden der Walzen benachbarten Endteilen größer ist als in einem Zentralteil des Heizelementes.
4. Thermische Fixiervorrichtung nach -einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor vorgesehen ist, der in thermischem Kontakt mit der Oberfläche des Heizelementes steht.