DE4042517C2 - Heizwalze für eine Tonerbild-Fixiervorrichtung - Google Patents
Heizwalze für eine Tonerbild-FixiervorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fixiervor
richtung für ein Aufzeichnungsgerät mit einem elektrofotogra
fischen System, wie bei einem Drucker, einem Kopierer, einem
Faksimilegerät oder dergleichen, und betrifft eine Heizwalze für eine Fi
xiervorrichtung zum Fixieren eines Tonerbildes, das auf einer
Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums ausgebildet wird, auf
diesem Medium. Eine Heizwalze mit den im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus US 4,618,240 A
bekannt.
Ein Fixiersystem gemäß dem Stand der Technik weist mindestens
eine Heizwalze und eine Gegendruckwalze auf. In dieser Be
schreibung wird verschiedentlich die Heizwalze mit HR und die
Gegendruckwalze mit BR abgekürzt. Die Walzen HR und BR werden
verschiedentlich als Fixierwalzenpaar bezeichnet. Im Fixier
system wird HR beheizt, und HR und BR rotieren, wenn sie in
Berührung miteinander stehen. Die Antriebswalze ist in diesem
Fall eine der beiden Walzen HR und BR. Die beiden Walzen HR
und BR bilden dann, wenn sie miteinander in Berührung stehen,
eine Berührungsfläche. Die Berührungsfläche wird als Klemmzone
bezeichnet. Aufzeichnungspapier mit einem noch nicht fixierten
Tonerbild passiert die Klemmzone zwischen HR und BR. In diesem
Fall wird der unfixierte Toner durch die Heizwalze HR so weit
erhitzt, daß er schmilzt. Der geschmolzene Toner passiert die
Klemmzone und verfestigt sich dann, wobei er am Aufzeichnungs
papier anhaftet. Eine solche Funktionsfolge wird als Fixierung
bezeichnet.
Bei einem Fixiersystem ist es allgemein von Vorteil, daß zu
mindest nach dem Fixieren Toner ausreichend fest am Aufzeich
nungspapier anhaftet, und selbst im Fall, daß ein Bild nach
dem Fixieren gerieben oder gebogen wird, soll sich der Toner
nie ablösen. In der vorliegenden Beschreibung wird diese Haft
stärke als Fixierstärke bezeichnet.
Beim Fixiersystem gemäß dem Stand der Technik ist es jedoch
dann, wenn sich das Fixierwalzenpaar mit hoher Drehzahl dreht,
schwierig, eine ausreichende Fixierstärke nur mit Hilfe des
Fixierwalzenpaars zu erzielen. In diesem Fall wird die Fixier
stärke einfach dadurch erhöht, daß die Schmelzfähigkeit des
Toners erhöht wird, ohne daß eine Verbesserung am Fixiersystem
selbst vorgenommen wird. Das Erhöhen der Schmelzfähigkeit des
Toners bedeutet jedoch, das Ausmaß einer Schutzfunktion zu
verkürzen. Die Stabilität der Entwicklung verschlechtert sich
gleichzeitig, ein Schleier tritt im Bild auf, und wo der Toner
auftrifft, klumpt er in der Entwicklungsmaschine, wo
durch die Druckfähigkeit verlorengeht. Darüber hinaus verteilt
sich der Toner außerhalb der Entwicklungsmaschine und haftet
an Förderteilen und anderen Teilen an, was fehlerhaften Druck
auf dem Aufzeichnungspapier verursacht. Wo er auftrifft, nimmt
der Reibungskoeffizient eines Fördermittels ab, was zu Un
fähigkeit der Beförderung führt, wodurch ein Einfluß auf das
gesamte System ausgeübt wird. Dementsprechend ist es erforder
lich, eine ausreichende Fixierstärke unter Tonerbedingungen
zu erzielen, unter denen derartige Nachteile nie verursacht
werden. Zu diesem Zweck kann, wie in "Photographic Science and
Engineering 27", 1983, S. 19-25 erwähnt, vorgesehen werden,
daß ein Vorheizer direkt vor dem Fixierwalzenpaar in der Rich
tung, in der das Aufzeichnungspapier befördert wird, angeord
net wird, um das Aufzeichnungspapier und den unfixierten Toner
zusätzlich von der Rückseite der Druckfläche des Aufzeich
nungspapiers zu beheizen.
Es ist darüber hinaus am üblichsten, daß die Heizwalze HR
trommelförmig ausgebildet ist, mit einem metallischen Hohl
zylinder, der mit einem nichtviskosen wärmebeständigen Mate
rial, wie einem Fluorharz oder einem Silikongummi, beschichtet
ist, und daß sie eine Struktur aufweist, gemäß der ein Heiz
element, wie eine Halogenlampe oder dergleichen, zentrisch im
Zylinder angeordnet ist. In dieser Beschreibung wird die
nichtviskose Beschichtung als Oberflächenschicht bezeichnet.
Die Oberflächenschicht ist so ausgebildet, daß sie das Auftre
ten eines Toner-Offset-Phänomens minimiert, gemäß dem Toner an
der Heizwalzenoberfläche anhaftet, wenn der Toner die Klemm
zone durchläuft. Das Heizelement arbeitet entsprechend einem
Meßsignal eines Wärmesensors zum Ermitteln der Temperatur an
oder in der Nähe der Oberfläche der Heizwalze.
Wie aus JP-A-57-100459 bekannt, ist Fluorharz
ein schlechter Wärmeleiter, weswegen es wünschenswert ist, daß
die Membrandicke des Fluoroharzes minimiert wird, um die Zeit
zu verkürzen, die erforderlich ist, damit die Heizwalzenober
fläche eine vorgegebene Temperatur erreicht, nachdem das Heiz
element aktiviert ist. Es ist ratsam, daß die Membrandicke
20 µm oder kleiner ist, in bezug auf die Entfernung zwischen
der Spitze eines Vorsprungs einer Rauhigkeit der inneren Mem
branschicht des Fluoroharzes und der Oberfläche der Membran.
In JP-A 60-213974 ist erwähnt, daß die Wärmeleit
fähigkeit eines wärmebeständigen Harzes der Oberflächenschicht
unzufriedenstellend und es daher schwierig ist, Wärmeenergie vom
Heizelement an die Heizwalzenoberfläche zu übertragen und die
Wärmeansprechcharakteristik ist schlecht, wodurch der Wärme
verlust verhältnismäßig groß ist. Wenn die Membrandicke der
Oberflächenschicht 40 µm bis 50 µm beträgt, erreicht die Tem
peraturdifferenz zwischen dem Heizelement und der Heizwalzen
oberfläche 20°C bis 25°C. Wenn dann plötzlich viel Wärme von
der Heizwalzenoberfläche durch ununterbrochenes Kopieren ab
geführt wird, wird die Wärmezufuhr vom Heizelement zur Ober
flächenschicht vorübergehend unzureichend, und dadurch fällt
die Heizwalzenoberflächentemperatur, was fehlerhafte Fixierung
verursacht. Wenn darüber hinaus viel Wärme von einem mittleren
Teil der Heizwalzenoberfläche entzogen wird und dadurch die
Oberflächentemperatur des mittleren Bereichs vorübergehend
durch dauerndes Kopieren auf schmales Aufzeichnungspapier mit
kleinen Abmessungen fällt, steigt die Temperatur des Heizele
mentes entsprechend der Wirkung des Wärmesensors an, und die
Wärmezufuhr zur Randoberfläche des Heizelementes wird erhöht,
wodurch die Oberflächentemperatur an entgegengesetzten Enden
der Heizwalze erheblich ansteigt. Dementsprechend überschrei
tet die Oberflächentemperatur die Wärmebeständigkeitstempera
tur der wärmebeständigen Harzschicht, wodurch deren Lebens
dauer verkürzt wird, oder es tritt ein Toneroffsetphänomen an
entgegengesetzten Enden des Papiers auf, wenn nach dauerndem
Kopieren auf Papier mit kleinen Abmessungen plötzlich auf
breites Papier mit großen Abmessungen kopiert wird.
Weiterhin kann die
JP-A 56-159679 als Bezug auf ein Beispiel aus dem Stand der
Technik herangezogen werden, bei dem die Dicke der Oberflächenschicht
30 µm oder darunter liegt. In diesem Fall
wird Wärme von der Walzentrommel in der Klemmzone zugeführt
und infolgedessen steigt die Temperatur der Oberflächen
schicht.
Ein Gerät gemäß dem vorgenannten Stand der Technik, das einen
Vorheizer nutzt und bei dem das Fixierwalzenpaar für das Fi
xieren mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, hat das Pro
blem, daß eine Konstruktion mit großen Abmessungen ziemlich
unvermeidbar bei einem Fixiersystem mit einem Vorheizer ist.
Da darüber hinaus der Vorheizer das Aufzeichnungspapier von
der nicht bedruckten Fläche beheizen muß, kann ein solcher
nicht eingesetzt werden, wenn im Fall eines Systems für zwei
seitigen Hochgeschwindigkeitsdruck keine unbedruckte Fläche
vorhanden ist. Wenn aber das Fixiersystem im Fall eines Auf
zeichnungssystems für Hochgeschwindigkeitsdruck nicht mit dem
Vorheizer versehen ist, kann eine zufriedenstellende Fixier
stärke nicht erreicht werden.
Wird die Ober
flächenschicht aus einem Fluorharz in der Dicke verringert,
ohne daß ein Vorheizer verwendet wird, so ist dies nicht so proble
matisch, wenn die Anzahl zu bedruckender Blätter klein
ist. Bei kontinuierlichem Druck nimmt jedoch die Wärmemenge, die
von der Trommel in die untere Schicht der Oberflächenschicht
fließt, zu, wenn die Oberflächenschicht in ihrer Dicke
verringert wurde. Wenn also der Fixiervorgang kontinuierlich
ausgeführt wird, fällt die Temperatur der Heizwalzentrommel
plötzlich, die Oberflächentemperatur der HR fällt dementspre
chend ebenfalls plötzlich, und nach all diesem ist ausreichen
de Fixierstärke nicht erzielbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizwalze für
eine Tonerbild-Fixiervorrichtung anzugeben, die auch bei kon
tinuierlichem Fixieren ohne Vorheizung eine ausreichende Fi
xierstärke sicherstellt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1
gekennzeichnet. Wird die darin angegebene Relation zwischen
der Wandstärke der Trommel, der Wärmediffusionsrate des Trom
melmaterials und der Dauer einer Trommelumdrehung in Verbin
dung mit der angegebenen Dicke der die Trommeloberfläche be
deckenden Fluorharzschicht eingehalten, so erreicht man, daß
dem Aufzeichnungspapier während seiner Verweilzeit an der
Heizwalze die zur Fixierung des Tonerbildes erforderliche
Wärmemenge konstant zugeführt wird.
Bevorzugte Werte für Wandstärke, Durchmesser und Material der
Trommel sind in Anspruch 2 angegeben.
Bei der aus der eingangs genannten US-Patentschrift 4,618,240
bekannten Heizwalze hat die auf der Trommeloberfläche vorhan
dene Fluorharzschicht eine Dicke von 20 bis 80 µm. Die erfin
dungsgemäß dünner ausgebildete Schicht bewirkt,
daß sie die von der Trommel an die Oberflächenschicht gelie
ferte Wärme während derjenigen Zeitspanne erhöht, in der das
Papier die Klemmzone durchläuft. Infolgedessen nimmt die von
der Oberflächenschicht in den Toner fließende Wärmemenge zu,
wodurch die Fixierstärke verbessert wird. In diesem Fall kann
obwohl die Trommeltemperatur fällt, die Wärmekapazität der
Trommel dadurch erhöht werden, daß die Dicke der Trommel er
höht wird. Temperaturschwankungen können minimiert werden, und
daher kann auch selbst bei halbkontinuierlichem bis konti
nuierlichem Fixieren bei kontinuierlichem Druck die Fixier
stärke stabil aufrechterhalten werden.
Entsprechend der dünner ausgebildeten Oberflächenschicht der
Heizwalze im Fixiersystem der Erfindung wird die Wärmemenge,
die dem Toner zugeführt wird, erhöht, wodurch der thermische
Ansprechwirkungsgrad erhöht wird. Wenn nur die Oberflächen
schicht dünner ausgebildet wird, wirkt der Effekt so, daß er
den Temperaturabfall der HR-Temperatur verstärkt, und das
Zeitintervall für EIN/AUS-Funktion wird bei einer Regelung
des Heizelements verkürzt. Dementsprechend wird ein Hochpräzi
sions-Temperaturregler erforderlich. Wie jedoch oben beschrie
ben, umfaßt diese Erfindung das Optimieren der Dicke der Trom
mel, wodurch der Nachteil überdeckt wird, der unvermeidbar mit
dem Verkleinern der Dicke der Oberflächenschicht verbunden
ist, wodurch ein solcher Hochpräzisions-Temperaturregler nicht
unbedingt erforderlich ist.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Aufzeichnungsgerät für
zweiseitiges Aufzeichnen, an dem eine erfindungsgemäße Fixier
einrichtung angebracht ist;
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch
eine erfindungsgemäße Fixiereinrichtung;
Fig. 3 ist eine Dar
stellung eines Modells, wie es zur Dickenberechnung verwendet
wird;
Fig. 4 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen
der Dicke der Oberflächenschicht und der Oberflächen
temperatur einer Heizwalze in einer Klemmzone darstellt;
Fig. 5 ist eine Darstellung einer Beziehung zwischen der Dicke
der Oberflächenschicht und dem Wärmefluß zum Toner;
Fig. 6
ist eine Darstellung einer Beziehung zwischen der Ober
flächenschicht und dem Wärmefluß zur Schicht;
Fig. 7 ist eine
Darstellung einer Beziehung zwischen der Heizwalzentemperatur
und der Fixierstärke;
Fig. 8 ist eine Darstellung der
Beziehung zwischen der Dicke der Oberflächenschicht und der
Fixierstärke;
Fig. 9 bis 14 sind Darstellungen entsprechend
Fig. 4 bis 6 jedoch für andere Beispiele;
Fig. 15 ist eine Darstellung eines Modells,
wie es zur Berechnung genutzt wird;
Fig. 16 ist eine Darstel
lung einer Beziehung zwischen der Wandstärke (im folgenden auch
als Dicke bezeichnet) der Trommel und
dem Temperaturabfall;
Fig. 17 ist eine Darstellung entspre
chend der von Fig. 16, jedoch für ein anderes Beispiel;
Fig. 18
ist eine Darstellung von Toner am Ausgang einer Klemmzone
und der Temperaturverteilung innerhalb des Aufzeichnungs
papiers.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird nun
unter Bezugnahme auf die Fig. 1-10 beschrieben. Fig. 1 ist
ein Querschnitt, der den Druckprozeß in einem Gerät für zwei
seitiges Aufzeichnen zeigt, an dem eine erfindungsgemäße
Fixiervorrichtung angebracht ist. Ein Bezugszeichen 1 bezeich
net ein Papierzuführmagazin, 2 Aufzeichnungspapier, 3 eine
Entwicklerstation, 4 eine erste Seite des Aufzeichnungspa
piers, 5 die Fixiervorrichtung, 6 eine Heizwalze, 7 eine
Gegendruckwalze, 8 eine Trennklaue, 9 eine Umkehrwalze, 10
einen Entladepapierstapler, 11 einen Rückwegdurchgang, 12
einen Umkehrstapler, 13 einen Nebenflußdurchgang, 14 eine Ein
mündung, 15 die zweite Seite des Aufzeichnungspapiers, 20 ein
photosensitives Teil, 21 eine Entwicklungseinrichtung und 22
eine Übertragungspresse. Bei dieser Erfindung verwendet die
Fixiervorrichtung 5 eine Heizwalzenfixierkonstruktion unter
Benutzen der Heizwalze 6 und der Gegendruckwalze 7.
Das im Papierzuführmagazin 1 gespeicherte Aufzeichnungspapier
2 wird zur Entwicklerstation 3 befördert, die mindestens das
photosensitive Teil 20, die Entwicklereinrichtung 21 und die
Übertragungspresse 22 aufweist, in der ein noch nicht fixier
tes Tonerbild auf der ersten Seite des Aufzeichnungspapiers 2
ausgebildet wird. Dann wird das Aufzeichnungspapier mit dem
noch nicht fixierten Tonerbild der Fixiereinrichtung 5 zum
Beheizen zugeführt, wodurch das Tonerbild auf der ersten Seite
4 fixiert wird und am Aufzeichnungspapier 2 anhaftet. Nach dem
Fixieren auf der ersten Seite 4 erreicht das Aufzeichnungs
papier 2 eine Weiche, die aus der Trennklaue 8 besteht, und es
wird nach oben geleitet, wenn sie auf einen Modus für Druck
auf die zweite Seite eingestellt ist, und wird dann zur Seite
der Umkehrwalze 9 befördert. Die Trennklaue 8 ändert ihre
Position vertikal, wodurch sie als Weiche fungiert. In der
Darstellung ist die Position der Trennklaue 8 die niedrigere
Lage, was anzeigt, daß Weichenfunktion zur Seite der Umkehr
walze 9 ausgeübt wird. Wenn die Trennklaue 8 nach oben hin
positioniert wird, wird die Weichenfunktion zur Richtung des
Entladepapierstaplers 10 hin ausgeübt. Anschließend wird das
Aufzeichnungspapier 2 durch die Umkehrwalze 9 zum Rückweg
durchgang 11 geschickt. Das Aufzeichnungspapier 2 wird ein Mal
im Umkehrstapler 12 gespeichert und dann in den Nebenfluß
durchgang 13 entladen, bevor das nächste Aufzeichnungspapier 2
den Umkehrstapler 12 und die Einmündung 14 erreicht. Wenn das
Aufzeichnungspapier 2 die Einmündung 14 passiert hat, gelangt
es auf denselben Durchgang wie in dem Fall, als es das erste
Mal aus dem Papierzuführmagazin 1 entladen wurde, und es er
reicht dann die Entwicklerstation 3 erneut. In diesem Fall
zeigt die bereits bedruckte erste Seite 4 nach oben. Dement
sprechend wird in diesem Fall ein noch nicht fixiertes Toner
bild auf der zweiten Seite 15 des Aufzeichnungspapiers 2 in
der Entwicklerstation 3 hergestellt. Anschließend wird eine
Fixierung an die zweite Seite 15 entsprechend dem Fall der
Fixierung an die erste Seite 4 ausgeübt. Die Trennklaue 8
wechselt in diesem Fall in die obere Position, das Aufzeich
nungspapier 2 weist eine bedruckte obere und eine bedruckte
untere Seite auf, und es wird dann in den Entladepapierstapler
10 entladen. Das oben Stehende bezog sich auf grundsätzliche
Funktion und Konstruktion des Geräts für zweiseitiges Auf
zeichnen, mit besonderer Bezugnahme auf die Bewegung eines
einzigen Aufzeichnungspapiers. Im praktischen Fall wird die
Funktion kontinuierlich ausgeführt. Es wird, wenn ein Druck
nur auf der ersten Seite erfolgt die Trennklaue 8 nach oben posi
tioniert, wenn das Aufzeichnungspapier 2 die Trennklaue 8 das
erste Mal erreicht, das direkt in den Entladepapierstapler 10
entladen wird.
Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Fixiervorrichtung gemäß die
ser Erfindung. Ein Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Klemmzone,
24 eine Trommel, 25 eine Oberflächenschicht, 26 eine Silikon
gummischicht, 27 Toner, 28 einen Trenner, 29 eine Reinigungs
vorrichtung, 30 eine Heizlampe, die als Heizquelle dient, und
31 eine Druckkraft. Die Heizwalze 6 umfaßt die Trommel 24,
die ein Hohlzylinder aus Aluminium ist, und die Oberflächen
schicht 25 aus einem Fluoroharz ist auf deren Oberfläche aus
gebildet und die Heizerlampe 30 (Halogenlampe) ist zentrisch
darin angeordnet. Die Gegendruckwalze 7 umfaßt einen Alumi
niumzylinder und die äußere Silikongummischicht 26. Die Heiz
walze 6 und die Gegendruckwalze 7 stehen einander gegenüber,
wobei zwischen beiden die Druckkraft 31 wirkt, und die Kon
taktfläche ist durch die Silikongummischicht 26 gebildet, die
elastisch deformiert wird. Die Kontaktfläche ist als Klemmzone
23 bezeichnet. Wenn das Aufzeichnungspapier 2, auf dem der un
fixierte Toner 27 abgebildet ist, die Klemmzone 23 zwischen
der beheizten Heizwalze 6 und der Gegendruckwalze 7 passiert,
wird der Toner geschmolzen und haftet an das Aufzeichnungs
papier 2 an. Dieser Prozeß wird Fixierung genannt. Der Tren
ner 28 dient zum Trennen des an der Oberfläche der Heizwalze 6
in der Klemmzone 23 anhaftenden Aufzeichnungspapiers 2 von der
Heizwalze 6. Bei dieser Ausführungsform wird ein kontaktloses
Ablösesystem verwendet, das weiter unten im Detail erläutert
wird. Der größte Teil des Toners 27 wird auf das Aufzeich
nungspapier 2 in der Klemmzone aufgeschmolzen, jedoch ist auch
Toner 27 vorhanden, der teilweise auf die Heizwalze 6 über
tragen ist. Der auf die Heizwalze 6 übertragene Toner 27 wird
auf das Aufzeichnungspapier 2 für die nächste Fixierung über
tragen und ist daher dazu in der Lage, fehlerhaften Druck zu
verursachen, und daher ist für diesen Zweck die Reinigungs
vorrichtung 29 angeordnet. Die Reinigungsvorrichtung 29 arbei
tete dann so, daß sie den auf die Heizwalze 27 übertragenen
Toner abwischt. Eine detaillierte Beschreibung darüber wird
weiter unten erfolgen.
Bei der Fixiervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
weisen sowohl die Heizwalze 6 wie auch die Gegendruckwalze 7
einen Durchmesser von 100 mm auf und die Zeit (Klemmzeit), die
ein Punkt des Papiers benötigt, um die Klemmzone zu passieren,
beträgt 14 ms.
Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, wird bei der Fixiervor
richtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Toner 27 nur in dem zwischen
der Heizwalze 6 und der Gegendruckwalze 7 gebildeten
Klemmbereich 23 erhitzt. Um den gewünschten Zweck
zu erzielen, ist es erforderlich, daß die Wärmemenge, die von
der Heizwalze 6 in den Toner 27 fließt im richtigen Maße erhöht wird.
So wurde ein Wärmeflußmechanismus in der Heizwalze 6 zum
Fixierzeitpunkt erhalten. Zum Untersuchen wurde eine Nicht
gleichgewichts-Temperaturverteilungsberechnung nach der Metho
de der finiten Elemente ausgeführt. Fig. 3 ist eine Darstel
lung, die ein Modell zeigt, wie es für die Berechnung benutzt
wurde. Das Modell ist ein 4-Schichtdimensionsmodell, das aus
der Aluminiumtrommel 24, der Teflon-Oberflächenschicht 25, dem
Toner 27 und dem Aufzeichnungspapier 2 besteht. Der
Einfachheit halber werden hier spezielle Angaben gemacht, je
doch sind die hier gemachten Angaben solche, die durch die
Wärmeleitfähigkeit und die Wärmediffusionsrate gemäß Fig. 3
bestimmt sind. Dementsprechend geht es nicht darum, Angaben
als wesentlich zu spezifizieren. Wenn z. B. Angaben die Wärme
leitfähigkeit und die Wärmediffusionsrate betreffen, dann sind
ähnliche Berechnungsergebnisse unabhängig von der Art der
Angaben erzielbar.
Hier wird die Berechnung für Nichtgleichgewichts-Temperatur
verteilung nach der Methode finiter Elemente beschrieben. Die
folgende Gleichung für Wärmeleitung wurde nach der Methode
finiter Elemente gelöst:
in der T eine Temperatur, t eine Zeit und x einen Ort abgeben.
Bei der Methode finiter Elemente ist eine Lösung für die durch
Ort und Zeit spezifizierte Temperatur erhaltbar. Konkret ge
sprochen ist sie durch die Temperatur in einem Zeitschritt
(Zeit) und einem Knoten (Position) angegeben. Ein Allzweck
programm wird für die Berechnung verwendet.
Die bei dieser Spezifikation angezeigte Temperatur weist eine
Lösung bei Berechnung entsprechend der Methode finiter Elemen
te auf, die gerade hierfür verwendet wird. Ein Wärmefluß ist
dann derjenige, für den ein Wert dadurch erhalten wird, daß
die Differenz zwischen der Temperatur an der Übergangsfläche
und der Temperatur des nächsten Knotens durch die Distanz
zwischen den Knoten geteilt wird und mit einer Wärmeleit
fähigkeit multipliziert wird. Wenn der Wärmefluß, der von der
Oberflächenschicht, wie sie für die Beschreibung als Beispiel
gegeben wurde, in den Toner fließt, sind Temperatur und Posi
tion einer Übergangsfläche zwischen Oberflächenschicht und
Toner durch T₁ bzw. x₁ gegeben und Temperatur und Position des
Knotens, der der Übergangsfläche am nächsten liegt, sind durch
T₂ bzw. x₂ gegeben. Darüber hinaus gilt mit einer Wärmeleit
fähigkeit des Toners und einem Wärmefluß q, daß der Wärme
fluß durch folgende Gleichung gegeben ist:
bei einer aktuellen Berechnung wurde der Wert 2 µm für x₁ - x₂
verwendet.
Fig. 4 stellt eine Beziehung zwischen der Dicke der Ober
flächenschicht und der Oberflächentemperatur der Heizwalze
(HR) in der Klemmzone zum Zeitpunkt der Fixierung dar, wobei
die Werte durch die obige Berechnung erhalten werden. Der
Parameter ist die Zeitspanne ab dem Zeitpunkt, zu dem das
Blatt am Vorderende der Klemmzone geklemmt wurde. Dement
sprechend zeigt 1 ms der Anfangszeitraum der Klemmzeitspanne,
4 ms und 7 ms mittlere Zeitpunkte und 14 ms der Schlußzeitraum
an. Die angegebene HR-Temperatur ist eine eingestellte Tem
peratur vor dem Fixieren. Der Grund, weswegen die HR-Tempera
tur jedesmal niedriger ist als die eingestellte HR-Temperatur
(190°C) ist der, daß Hitze bald vom Papier absorbiert wird,
jedesmal, wenn dieses in der Klemmzone eingeklemmt wird.
Darüber hinaus gilt, daß die Temperatur der HR-Oberfläche um
so größer wird, je dünner die HR-Oberflächenschicht ist, da
Wärme von der die innere Schicht bildenden Trommel an die
Oberflächenschicht dort schneller übertragen wird, wo die
Oberflächenschicht eine kleinere Dicke aufweist. Wie vorstehend be
schrieben, nimmt die Oberflächentemperatur unabhängig von der Zeit zu,
wenn die Oberflächenschicht dünn ist. Normaler
weise steigt die Fixierstärke um 5-10%, wenn die
eingestellte HR-Temperatur vor dem Fixieren um 10°C erhöht
wird. Dementsprechend wird ein Erhöhen der Fixierstärke bei
dünnerem Ausgestalten der Oberflächenschicht erwartet.
Im nächsten Schritt wird versucht, eine Entscheidung für opti
male Dicke der Oberflächenschicht zu treffen, wobei der Wärme
übertragungsmechanismus in Betracht gezogen wird. Fig. 5 ist
eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Dicke der
Oberflächenschicht, wie sie durch die vorstehende Berechnung
erhalten wurde, und einem Wärmefluß (Menge der eintreffenden
Wärme pro Zeiteinheit und pro Einheitsfläche) zeigt, wie er
von der Heizwalze HR in den Toner gelangt. Parameter und an
dere Angaben sind dieselben wie im Fall von Fig. 4. Der Wärme
fluß von der Oberflächenschicht zum Toner neigt bei dünner
Oberflächenschicht zum Zunehmen, und bei 1 ms, was dem An
fangszeitraum der Klemmzeitspanne entspricht, nimmt er bei oder
unterhalb von 20 µm in der Dicke der Oberflächenschicht stark
zu. Weiterhin gilt, daß dieser bei 4 ms und 7 ms was mittleren
Zeitpunkten der Klemmzeitspanne entspricht, ebenfalls bei
Dicken der Oberflächenschicht von oder unterhalb von 30 µm
schnell ansteigt. Der Grund, weswegen der Wert des Wärme
flusses mit fortschreitender Zeit insgesamt klein wird, ist
der, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Toner und der
Oberflächenschicht allmählich klein wird.
Es wurde ein Versuch unternommen, das Phänomen noch weiter zu
klären. Fig. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der
Oberflächenschicht, wie sie durch die oben genannte Berechnung
erhalten wurde, und dem Wärmefluß von der Aluminiumtrommel zur
Oberflächenschicht. Parameter und andere Angaben sind diesel
ben wie im Fall von Fig. 4. Die Wärmemenge, die von der Alu
miniumtrommel in die Oberflächenschicht fließt, ist groß, wenn
die Oberflächenschicht dünn ist. Die Steigung ist besonders in
der Anfangsperiode der Klemmzeitspanne (1 ms) sehr groß. Wäh
rend dieser Zeitspanne ist die Situation im
wesentlichen ein adiabatischer Zustand im Bereich 40-50 µm,
in dem die Oberflächenschicht dick ist. Der Wärmefluß nimmt
dann allmählich mit fortschreitender Zeit zu, jedoch ist der
absolute Wert klein im Vergleich mit dem Bereich 10-30 µm,
in dem die Oberflächenschicht dünn ist. Die Grenze zwischen
den Bereichen, in denen die Oberflächenschicht dünn bzw. dick
ist, ist der Punkt, an dem die Dicke der Oberflächenschicht
etwa 40 µm ist, und mit den 40 µm als Grenze, ist die Änderung
des Wärmeflusses in bezug auf die Dicke der Oberflächenschicht
diskontinuierlich. Der Grund ist der, daß der Einfluß des
Wärmeflusses auf fixierten Toner, der in der HR-Oberfläche er
zeugt wird, leicht auf die Aluminiumtrommel während der Klemm
zeitspanne in dem Bereich ausgeübt werden kann, in dem die
Oberflächenschicht dünn ist, aber daß der Einfluß im Gegensatz
dazu im dicken Bereich nur schwer ausgeübt werden kann, und
daß die Grenze bei 40 µm in der Dicke der Oberflächenschicht
liegt. Es kann auch anzeigen, daß Wärme von der Aluminium
trommel während der Klemmzeitspanne in denjenigen Bereich zu
stark zugeführt wird, der nicht mehr als 40 µm in der Dicke
der Oberflächenschicht ausmacht, aber daß Wärme von der Alu
miniumtrommel im Bereich, der dicker ist als dies, weniger
zugeführt wird. Aus dem obigen Ergebnis kann verstanden wer
den, weswegen die Menge an Wärme, die in den Toner fließt,
unterhalb der bestimmten Dicken der Oberflächenschicht von
Fig. 5 zunimmt (20 µm bei 1 ms und 30 µm bei 4 ms und 7 ms).
Eine große Verbesserung der Fixierstärke kann in dem Bereich
erwartet werden, in dem Wärme von der Aluminiumtrommel stark
(bei einer Dicke der Oberflächenschicht von etwa 40 µm oder
darunter) während der Klemmzeitspanne anwächst. Dementspre
chend kann die Dicke der Oberflächenschicht vorzugsweise in
nerhalb dieses Bereichs zu liegen kommen (40 µm oder darun
ter). Darüber hinaus liegt der Bereich, in dem der Wärmefluß
von der Oberflächenschicht in den Toner groß ist (Dicke der
Oberflächenschicht bei 30 µm oder darunter) vorzugsweise wäh
rend der mittleren Periode der Klemmzeitspanne. Weiterhin
gilt, daß der Bereich, in dem der Wärmefluß von der Oberflä
chenschicht in den Toner groß ist (Dicke der Oberflächen
schicht bei 20 µm oder darunter) vorzugsweise während der
Anfangsperiode der Klemmzeitspanne liegt.
Um das Berechnungsergebnis zu bestätigen, wurde ein Test unter
denselben Bedingungen ausgeführt wie die Berechnung.
Fig. 7 stellt eine Beziehung zwischen einer eingestellten
Temperatur vor dem Fixieren (HR-Temperatur) unter den Bedin
gungen 20 µm bzw. 40 µm der Dicke der Oberflächenschicht und
der Fixierstärke dar. Die Fixierstärke ist durch eine Band
abziehstärke gegeben. Es wurde ein Klebeband einmalig auf das
fixierte Bild gebracht und dann abgezogen und die Bandabzieh
stärke wurde durch das Verhältnis der Reflexionsdichten der
Bilder vor und nach dem Abziehen bestimmt. Dementsprechend
gilt, daß die Fixierstärke um so stärker ist, je höher der
Wert ist. Mit der eingestellten Temperatur vor dem Fixieren
(HR-Temperatur) als Parameter zeigt Fig. 8 eine Beziehung zwi
schen der Dicke der Oberflächenschicht und der Fixierstärke.
Je kleiner die Dicke der Oberflächenschicht ist, desto größer
wird die Bandabziehstärke.
Die Dicke der Oberflächenschicht ist vorstehend konkret für
ein Fluoroharz als Beispiel für ein Oberflächenschichtmaterial
der Einfachheit halber angegeben. Berechnungsergebnisse ent
sprechend denen der Fig. 4-6 für andere Oberflächenmateria
lien mit anderer Wärmediffusionsrate werden in den Fig. 9-14
dargestellt. Die Fig. 9-11 beziehen sich auf einen Fall, in
dem das Oberflächenschichtmaterial eine Wärmediffusionsrate
von 6,41 × 10-8 m²/s aufweist und die Trommel aus Aluminium
besteht, und die Fig. 12-14 beziehen sich auf einen Fall,
in dem das Oberflächenmaterial eine Wärmediffusionsrate von
2,85 × 10-5 m²/s aufweist und die Trommel aus Aluminium be
steht. Eine Schlußfolgerung, die im wesentlichen derjenigen zu
den Fig. 4 und 6 ähnlich ist, kann auch aus diesen Berech
nungsergebnissen erhalten werden. Wenn der Bereich, in dem
eine Wärmemenge aus der Trommel kommt (40 µm oder darunter
bei einem Fluoroharz) als l₁, die Wärmediffusionsrate eines
Oberflächenschichtmaterials als as und die Klemmzeitspanne als
tn bezeichnet wird, führen diese Beispiele allgemein zu
Für die mittlere Periode der Klemmzeitspanne besteht, wenn der
Bereich, in dem der Wärmefluß von der Oberflächenschicht in
den Toner groß ist (30 µm oder darunter in Teflon), l₂ ist,
eine Tendenz nach:
Weiterhin besteht in der Anfangsperiode der Klemmzeitspanne
dann, wenn der Bereich, in dem der Wärmefluß von der Ober
flächenschicht in den Toner groß ist (20 µm oder darunter in
Teflon) l₃ ist, eine Tendenz gegen:
Wenn die Gleichungen (1) und (3) mit Hilfe der Wärmediffu
sionsrate von Teflon berechnet werden, wie in Fig. 3 darge
stellt, gilt:
Daraus läßt sich verstehen, daß diese gut mit den Berechnungs
ergebnissen gemäß den Fig. 5 und 6 zusammenfallen. Dies kann
eine Allgemeingültigkeit der Gleichungen (1) bis (3) belegen,
jedoch wird ein ähnliches Ergebnis aus anderen Bedingungen er
halten. Dementsprechend weist die Oberflächenschicht eine
Dicke von vorzugsweise √ oder darunter auf. Sie ist vor
zugsweise ¾√ und weiterhin ½√ oder kleiner.
Die Trommel erhält ihre Wärme von einer Heizlampe, speichert
sie und gibt die Wärme als erforderliche Fixierenergie an die
Oberflächenschicht ab. Sie arbeitet also als sekundäre Wärme
quelle.
Die Heizwalze dieser Erfindung, die die vorstehend genannte
Dicke der Oberflächenschicht aufweist, weist eine große Menge
von Wärme auf, die von der Trommel während der Klemmzeitspanne
herkommt. Wenn daher die Trommel als sekundäre Wärmequelle
verwendet wird, muß die Temperaturstabilität in einer Über
gangsfläche zwischen der Trommel und der Oberflächenschicht
auf hohem Wert gehalten werden. Dies bedeutet, daß dann, wenn
die Temperatur an der Übergangsfläche instabil ist, beim
Fixieren eines Kopierpapierblattes, dann zweier und dann
dreier kontinuierlich, das erste Blatt fixiert werden kann,
jedoch die folgenden Blätter nicht fixiert oder nur in be
grenzter Anzahl fixiert werden können, aber mehrere tausend
oder mehrere zehntausend Blätter nicht mehr für halbandauern
des Fixieren einsetzbar sind.
In einem nächsten Schritt wurde die Stabilität der Temperatur
an der Übergangsfläche zwischen der Trommel und der Oberflä
chenschicht in die Untersuchung einbezogen. Die Berechnung zur
Nichtgleichgewichts-Temperaturverteilung entsprechend der
Methode finiter Elemente wurde entsprechend angewandt. Fig. 15
zeigt ein Modell, wie es für die Berechnung benutzt wurde. Das
Modell ist ein zweidimensionales Modell mit einer Aluminium
trommel 24 und einer Oberflächenschicht 25 aus Teflon, in
Ringform-. Um Umdrehungen der Heizwalze anzuzeigen, wurden von
der Heizwalze nach außen fließende Wärmeflüsse aufeinanderfol
gend erzeugt. Dies entspricht der Wärmemenge, die zum Fixieren
erforderlich ist. Bei der Berechnung wird der Bereich 210 mm,
oder Papier vom A4-Format in Querrichtung. Ein Wärmeeigen
schaftswert, der hierfür verwendet wurde, ist derselbe wie der
in Fig. 3 dargestellte Wert. Wie im Fall von Fig. 3, sind
bestimmte Bedingungen und Gegenstände in der obigen Beschrei
bung der Einfachheit halber besonders benannt, jedoch sind
die Bedingungen oder Gegenstände entsprechend der Wärmeleit
fähigkeit und der Wärmediffusionsrate bestimmt, so daß es also
nicht auf in bestimmter Weise benannte Gegenstände
oder Bedingungen ankommt.
Fig. 16 stellt die Differenz (Temperaturabfall) zwischen der
Temperatur an der Übergangsfläche zwischen der Aluminium
trommel und der Oberflächenschicht nach dem Fixieren einer
Seite und unmittelbar vor dem Fixieren einer zweiten Seite und
einer anfänglich eingestellten Temperatur an einer Umfangs
position dar, entsprechend dem Wärmefluß, wie er zum Zeitpunkt
0 erzeugt wird. Hier wird die Zeitspanne, die ab dem Ende des
Fixierens einer ersten Seite und zwischen dem unmittelbaren
Beginn des Fixierens einer zweiten Seite an einer Umfangsposi
tion vergeht, die dem Wärmefluß entspricht, wie er zum Zeit
punkt 0 erzeugt wird, als Fixierperiode bezeichnet. Darüber
hinaus kann, in Übereinstimmung mit dem Phänomen, die Fixier
periode sich auf die Zeitspanne beziehen, die erforderlich
ist, daß diejenige Position auf der Heizwalze auf das nächste
Aufzeichnungspapier trifft, an der das Vorderende des Auf
zeichnungspapiers in Kontakt mit ihr kommt. Wenn dementspre
chend die Umfangslänge einer Heizwalze kürzer ist als die
Länge eines Formats in dessen Transportrichtung, entspricht
die Fixierperiode der Umdrehungsperiode der Heizwalze. Da
gegen, das heißt selbst dann, wenn die Umfangslänge der Heiz
walze länger ist als die Formatlänge, entspricht ein Minimal
wert der Fixierperiode der Umdrehungsperiode, und dadurch ist
diese Erfindung durch die Umdrehungsperiode spezifiziert. Bei
der Berechnung entspricht eine Periode zugeführten Papiers
der Zeitspanne, innerhalb der die Heizwalze eine Umdrehung
ausübt, das heißt der Umdrehungsperiode. Je dicker die Alu
miniumtrommel ist, desto geringer wird der Temperaturabfall,
wodurch die Stabilität zunimmt. Der Temperaturabfall wird bei
einer Trommeldicke von 6 mm beinahe konstant. Der Grund ist,
daß der Einfluß von Wärmefluß, wie er auf der Oberfläche der
Heizwalze zum Fixieren erzeugt wird, sich bis zu 6 mm nach
innen in die Aluminiumtrommel in einer Umdrehungsperiode aus
wirkt. Dementsprechend wird der Temperaturabfall bei einer
Trommeldicke von 6 mm oder darüber beinahe konstant. Als Er
gebnis ergibt sich, daß die Aluminiumtrommel vorzugsweise eine
Dicke von 6 mm oder höher aufweisen soll. Unter der Bedingung,
daß die Temperatur um etwa 0,8°C pro Seite fällt, gilt, daß
dann, wenn die Einstellbreite gegen Temperaturschwankungen
während kontinuierlichen Zuführens auf z. B. 10°C geschätzt
wird, ein Format über bis zu etwa 12 Seiten gedruckt werden
kann, ohne daß die Heizlampe 30 eingeschaltet werden muß. Dies
heißt, Wärme wird der Trommel oder der sekundären Heizquelle
von der Heizlampe 30 zugeführt, während 12 Seiten gedruckt
werden. In diesem Fall ist jedoch problematisch, wie schnell
die Wärme zum Punkt mit 6 mm Dicke geführt werden kann. Wenn
die Trommeldicke darüber hinaus erhöht wird, tritt eine Zeit
spanne auf, die erforderlich ist, um Wärme von der Heizlampe
30 zum vorgenannten 6-mm-Punkt innerhalb der Aluminiumtrommel
zu übertragen. Das heißt, die Aluminiumtrommel arbeitet als
thermischer Widerstand beim Übertragen von Wärme von der Heiz
lampe 30 zum 6-mm-Punkt. Wenn die Trommel zu dick ist, ist
eine so lange Zeitspanne zum Erhöhen der Oberflächentemperatur
der Heizwalze auf einen gewünschten Wert ab dem Einschalten
der Heizlampe 30 erforderlich, daß eine Umdrehungsperiode
überschritten wird. Dementsprechend ist eine Verzögerung in
der Antwort in der Temperatureinstellung der Heizwalze unver
meidlich, wodurch die Heizwalzentemperatur um einen gewünsch
ten Wert schwingen kann. Wenn die Dicke der Aluminiumtrommel
6 mm ist, dann wird die Zeitspanne 0 sein. Dementsprechend
soll die Dicke der Aluminiumtrommel vorzugsweise 6 mm sein.
Obige Beschreibung wurde mit einem besonderen Gegenstand (Alu
minium) und mit dafür beispielsweise geltenden Bedingungen
gegeben, jedoch gilt allgemeiner, daß dann, wenn die Wärme
diffusionsrate des Trommelmaterials ai und die Umdrehungs
periode tp ist, die Wandstärke L Trommel, für die der Einfluß
des Wärmeflusses aufgrund der Fixierung eine Umdrehungsperiode
überschreitet, den folgenden Wert hat:
Durch Berechnen der Gleichung (4) unter Einsetzen der Alu
minium-Wärmediffusionsrate gemäß Fig. 3 ergibt sich:
L = (8.15 × 10-5 × 10-6 × 0.46)1/2 = 6.12 (mm),
was gut mit dem Berechnungsergebnis von Fig. 16 übereinstimmt.
Das Beispiel ist so gewählt, daß es Allgemeingültigkeit von
Gleichung (4) anzeigt, jedoch sind ähnliche Effekte für andere
Gegenstände und Werte erzielbar. Fig. 17 ist eine Ansicht, die
der von Fig. 16 entspricht, die durch entsprechendes Berechnen
für SUS (Wärmediffusionsrate 4,44 × 10-6 m²/s) als Material
für die Trommel erhalten ist. Dementsprechend ist es er
wünscht, daß die Trommel-Wandstärke bei √oder darüber, vor
zugsweise aber bei √ liegt.
Die Beziehung zwischen der Dicke der Aluminiumtrommel und der
vorgenannten Verzögerung in der Temperaturantwort wird nun
untersucht. Ein Problem, das aus einer solchen Antwortsverzö
gerung resultiert, ist in gewissem Umfang dadurch vermeidbar,
daß ein unterer festgelegter Wert für die zulässige Heizwal
zentemperatur etwas höher und ein oberer festgelegter Wert
etwas tiefer gewählt wird. Zum Beispiel ist bei einer Ein
stellbreite gegen Temperaturschwankungen von 0 und einer tat
sächlichen Temperaturschwankung von 10°C eine Antwortsver
zögerung von 12 Seiten Aufzeichnungspapier in Übereinstimmung
mit dem Ausführungsbeispiel zulässig. Aus Gleichung (4) folgt
für diesen Fall:
L = (8.15 × 10-5 × 10⁶ × 0.46 × 12)1/2 - 21.2 (mm)
Wenn die Temperatureinstellbreite Null ist, dann tritt das
Problem aufgrund der Antwortsverzögerung bis zu 21,2 mm Dicke
der Trommel nicht auf.
Claims (2)
1. Heizwalze für eine Tonerbild-Fixiervorrichtung, umfas
send eine hohlzylindrische Trommel (24), eine darin angeord
nete Heizeinrichtung (30) und eine die Trommeloberfläche
bedeckende Fluorharzschicht (25) einer Dicke von 20 µm oder
weniger,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke L der Trommel
(24) in Abhängigkeit von der Wärmediffusionsrate ai des Trom
melmaterials und der Dauer tp einer Trommelumdrehung nach
folgender Relation bestimmt ist
2. Heizwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Trommel (24) aus Aluminium besteht, einen Durchmesser von
100 mm und eine Wandstärke L von mindestens 6 mm aufweist.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24485589A JP2909499B2 (ja) | 1989-09-20 | 1989-09-20 | 定着装置並びに定着装置用ヒートロール及び記録装置 |
JP27029089A JPH03132783A (ja) | 1989-10-19 | 1989-10-19 | 記録装置 |
DE4029841A DE4029841C2 (de) | 1989-09-20 | 1990-09-20 | Fixiervorrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4042517C2 true DE4042517C2 (de) | 1997-10-02 |
Family
ID=27201702
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4042517A Expired - Lifetime DE4042517C2 (de) | 1989-09-20 | 1990-09-20 | Heizwalze für eine Tonerbild-Fixiervorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4042517C2 (de) |
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1990
- 1990-09-20 DE DE4042517A patent/DE4042517C2/de not_active Expired - Lifetime
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