DE68915604T2 - Steuerung für die Heizung einer Schmelzfixierwalze. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft allgemein elektrostatographische Kopiervorrichtungen und insbesondere betrifft sie die Wärme- und Druckfestlegung von teilchenförmigen, thermoplastischem Toner durch unmittelbare Berührung mit einer erwärmten Einschmelzwalze.
• Bei dem Verfahren der herkömmlichen, elektrostatographischen Bilderzeugung wird typischerweise ein Lichtbild einer zu kopierenden Vorlage in der Form eines latenten Ladungsbildes auf einem fotoempfindlichen Glied aufgezeichnet, mit nachfolgendem Sichtbarmachen des latenten Bildes durch Aufbringen von elektroskopischen Markierungsteilchen, die im allgemeinen als Toner bezeichnet werden. Das sichtbare Tonerbild kann entweder unmittelbar auf dem fotoempfindlichen Glied festgelegt oder von dem Glied auf einen anderen Träger, wie ein Blatt unbeschichtetes Papier, übertragen werden, mit nachfolgendem Festlegen des Bildes darauf in der einen oder anderen Weise, wie beispielsweise durch Wärme und Druck.
• Um elektroskopisches Tonermaterial auf einem Trägerelement durch Wärme oder Druck festzulegen oder zu schmelzen, ist es notwendig, die Temperatur des Tonermaterials auf einen Punkt zu erhöhen, bei dem die Bestandteile des Tonermateriales koalgieren und klebrig werden, wobei gleichzeitig Druck angewendet wird. Dieser Vorgang bewirkt, daß der Toner in gewissem Maße in die Fasern oder Poren des Trägerelementes oder sonst auf seiner Oberfläche fließt. Wenn nachfolgend das Tonermaterial abkühlt, tritt eine Verfestigung des Tonermateriales auf, wodurch das Tonermaterial fest mit dem Trägerelement verbunden wird. Sowohl auf dem Gebiet der elektrostatographischen Bilderzeugung als auch der elektrofotographischen Aufzeichnung ist die Verwendung von Wärmeenergie und Druck zum Festlegen von Tonerbildern auf einem Trägerelement alt und gut bekannt.
• Ein Vorgehen zum Wärme- und Druckeinschmelzen von elektroskopischen Tonerbildern auf einem Träger war, den Träger mit den Tonerbildern darauf zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Walzenelementen hindurchzubewegen, von denen wenigstens eines innen erwärmt war. Während der Arbeitsweise eines Einschmelzsystemes von diesem Typ wird das Trägerelement, an dem die Tonerbilder elektrostatisch anhaften, durch den zwischen den Walzen gebildeten Spalt hindurchbewegt, wobei das Tonerbild die erwärmte (Einschmelz) Walze berührt, um dadurch ein Erwärmen der Tonerbilder innerhalb des Spaltes durchzuführen. Indem die Wärmeübertragung auf den Toner gesteuert wird, wird praktisch keine Zersetzung von Tonerteilchen von dem Kopieblatt auf die Einschmelzwalze bei normalen Bedingungen festgestellt. Dies ist der Fall, weil die auf die Oberfläche der Walze angewendete Wärme unzureichend ist, die Temperatur der Oberfläche der Walze auf oberhalb der "Heißversetzung"-Temperatur des Toners anzuheben, bei der sich die Tonerteilchen in den Bildbereichen des Toners verflüssigen und eine Trennungswirkung bei dem geschmolzenen Toner bewirken, die eine "Heißversetzung" zum Ergebnis hat. Abtrennen tritt auf, wenn die Kohäsionskräfte, die die viskose Tonermasse zusammenhalten, kleiner als die adhäsiven Kräfte werden, die dazu neigen, ihn zu einer berührenden Oberfläche zu versetzen, wie einer Einschmelzwalze.
• Gelegentlich werden jedoch Tonerteilchen zu der Einschmelzwalze durch eine unzureichende Anwendung von Wärme auf ihre Oberfläche (das heißt "kalte" Versetzung) durch Mängel bei den Oberflächeneigenschaften der Walze oder durch Teilchen versetzt, die unzureichend an dem Kopieblatt durch die elektrostatischen Kräfte anhaften, die normalerweise dort halten. In einem solchen Fall können Tonerteilchen auf die Oberfläche der einzelnen Walze mit nachfolgender Übertragung auf die Gegendruckwalze während der Zeitperioden übertragen werden, wenn sich kein Kopierpapier in dem Spalt befindet.
• Zusätzlich können Tonerteilchen von der Einschmelz- und/oder Gegendruckwalze während des Einschmelzens von beidseitigen Kopien oder nur aus der Umgebung der Kopiervorrichtung aufgenommen werden.
• Eine Anordnung zum Minimieren der vorgenannten Schwierigkeiten, insbesondere derjenigen, die im allgemeinen als "Versetzung" bezeichnet wird, bestand darin, eine Einschmelzwalze mit einer äußeren Oberfläche oder einem Überzug aus Polytetrafluorethylen herzustellen, das durch den Handelsnamen Teflon bekannt ist, auf das ein Trennmittel, wie Silikonöl, angewendet wird, wobei die Dicke des Teflons in der Größenordnung von ungefähr 50 bis 100 Mikrometer (einige tausendstel Zoll) und die Dicke des Öles weniger als 1 Mikrometer ist. Öle auf der Grundlage von Silikon (Polydimethylsiloxan), die eine relativ geringe Oberflächenenergie besitzen, haben sich als Materialien herausgestellt, die zur Verwendung in einer Umgebung mit erwärmter Einschmelzwalze geeignet sind, wo Teflon die äußere Oberfläche der Einschmelzwalze bildet. In der Praxis wird eine dünne Schicht Silikonöl auf die Oberfläche der erwärmten Walze aufgebracht, um zwischen der Walzenoberfläche und den Tonerbildern eine Grenzschicht zu bilden, die von dem Trägermaterial getragen werben. Somit wird dem Toner eine Schicht mit geringer Oberflächenenergie dargeboten, wenn er durch den Einschmelzspalt hindurchläuft, und dadurch wird verhindert, daß sich der Toner zu der Einschmelzwalzenoberfläche versetzt.
• Eine Einschmelzwalzenkonstruktion der oben beschriebenen Art wird hergestellt, indem in irgendeiner geeigneten Weise eine feste Schicht aus adhäsivem Material auf einen steifen Kern oder ein Substrat, wie die feste äußere Teflonoberfläche oder der Überzug bei der vorgenannten Anordnung aufgebracht wird.
• Äußeres Einschmelzwalzenerwärmen, beispielsweise durch Verwendung einer Heizlampe, wurde erkannt, wesentliche Vorteile bezüglich der Herstellungskosten einer Einheit und Größe gegenüber den herkömmlicheren Heizverfahren mit einer im Inneren der Walze für Hochgeschwindigkeitsanwendungen (ungefähr 600 Millimeter pro Sekunde) zu haben. Jedoch zeigt das äußere Erwärmen einer Einschmelzwalze auch ein beträchtlich vergrößertes Brandrisiko. Somit hängt die Zweckmäßigkeit des äußeren Erwärmens einer Einschmelzwalze von dem Bereitstellen eines Sicherheitsverfahrens ab, das sicherstellt, daß ein Brand nicht auftritt.
• Die meisten Einschmelzwalzen-Temperatursteuerungen verwenden entweder einen Triac oder zwei gesteuerte Siliziumgleichrichter, um die äußere Heizeinrichtung ein- und auszuschalten. Wenn ein Signal mit niederem Pegel diesen Schalteinrichtungen zugeführt wird, werden sie leitend und bleiben eingeschaltet (verriegelt), bis der Strom auf Null abfällt. In dem Fall einer mit 60 Hz Wechselnetzspannung versorgten Heizlampe tritt der Nulldurchgang 120 Mal pro Sekunde auf. Somit Tritt beim normalen Betrieb das Abschalten innerhalb 1/120 einer Sekunde eines Verlustes des Steuersignales auf. Die Schwierigkeit bei diesen Schalteinrichtungen ist, daß sie häufig durch Kurzschließen versagen. In diesem Fall würde der Übertemperatursensor nahe der Einschmelzwalze gegebenenfalls die Einschmelzeinrichtung abschalten. Jedoch benötigen solche Sensoren einige 10 Sekunden bis Minuten in dem Fall eines Versagens, einen Triac oder einen Siliziumsgleichrichters zu aktivieren, viel zu lange bei äußerem Heizen. Ferner liefern Übertemperatursensoren keinen Schutz, sollte die Einschmelzwalze anhalten, sich zu drehen.
• In JP-A-58 144 868 ist eine Anordnung beschrieben, um das Ausbrennen einer Einschmelzeinrichtung zu verhindern. Bei dieser Anordnung wird ein selbsttätiger Zeitgeber in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur der Einschmelzeinrichtung eingestellt, um dadurch eine schnelle Unterbrechung des elektrischen Stromes zu ermöglichen, wenn anormal hohe Temperaturen erfaßt werden.
• JP-A-5 767 971 offenbart eine Anordnung, bei der anormale Temperaturanstiege in einer Halogenlampe erfaßt werden, indem die elektrische Leitung durch die Lampe hindurch unter Verwendung einer Zeitgeberschaltung überwacht werden, wobei die Zeitgeberschaltung ein Relais zum Unterbrechen des Stromes betätigt.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine Berührungseinschmelzvorrichtung mit einer Einschmelzwalzenstruktur, die in Berührung mit einer Gegendruckwalzenstruktur drehbar ist und mit dieser einen Spalt bildet, durch den ein Kopieträger, der Tonerbilder trägt hindurchläuft, wobei die Tonerbilder die Einschmelzwalzenstruktur berühren: eine Wärmequelle zum Erhöhen der Temperatur der genannten Einschmelzwalzenstruktur; eine Schalteinrichtung, die zum Koppeln der genannten Wärmequelle und einer Wechselstromquelle betreibbar ist; und eine Betätigungseinrichtung zum periodischen Betätigen der genannten Schalteinrichtung wenn die Temperatur der Einschmelzwalzenstruktur und der einen vorbestimmten Temperatureinstellpunkt absinkt um periodisch die genannte Wärmequelle mit der genannten Wechselstromquelle zu koppeln, wodurch der Arbeitszyklus des Stromsignales, das die Wärmequelle mit Energie versorgt derart ist, daß eine Überlastung der genannten Wärmequelle verhindert wird, während der Betrieb der genannten Wärmequelle bei ungefähr voller Leistungsabgabe durchgeführt wird, und wodurch irgendein Schaltkreisversagen, das zu einer fortlaufenden Stromversorgung der genannten Wärmequelle wirkt, zu einer Stromunterbrechung und einem sicheren Abschalten durch Versagen der Wärmequelle führt, bevor ein Brand oder eine Überhitzung auftreten kann, wobei die genannte Betätigungseinrichtung eine Einrichtung enthält, die auf die Drehung einer der Walzenstrukturen zum Erzeugen eines die Drehung der Walzenstruktur anzeigenden Zuges elektrischer Pulse anspricht, wobei die Betriebsfrequenz der genannten Betätigungseinrichtung relativ niedrig zu der Frequenz des Wechselstromes ist, der die Wärmequelle mit Energie versorgt, um sicherzustellen, daß die Wärmequelle bei einem maximalen über die Zeit gemittelten Leistungsverbrauch betrieben wird, der das Lampenleistungsmaß der Wärmequelle nicht überschreitet.
• Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine geschlitzte Scheibe an einer Einschmelzwalze zur Verwendung als ein optischer Unterbrecher angebracht, der in Verbindung mit einem Lichtsensor einen Zug elektrischer Pulse nur dann liefert, wenn sich die Einschmelzwalze dreht. Die Pulse werden durch Auswahl der Schlitzweite und/oder Verwendung eines Kondensatorfilters aufbereitet, um sicherzustellen, daß die Impulse kürzer als der halbe Zyklus der Wechselstromversorgung zu der Heizquelle ist (im Fall einer 60 Hz Versorgung ist dies weniger als 1/120 einer Sekunde). Ferner ist die Impulsfrequenz viel niedriger als die der Wechselstromversorgung, so daß der Auslastungsgrad der Heizquelle niedrig ist (beispielsweise weniger als 20% und die Lampe wird weniger als ein Fünftel des Zyklus eingeschaltet). Eine Nulldurchgangserfassungsschaltung könnte natürlich verwendet werden, um das Hochfrequenzrauschen das erzeugt wird, wenn ein Triac oder ein Siliziumgleichrichter in Zyklusmitte betätigt wird, zu verringern, indem der Einschaltbefehl verzögert wird, bis der nächste Zyklus beginnt.
• In beispielhafter Weise wird eine Ausführungsform der Erfindung nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung (nur eine Figur) beschrieben, die eine schematische Seitenansicht einer Wärme- und Druckeinschmelzeinrichtung ist.
• Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen, in der eine Walzeneinschmelzvorrichtung allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die gezeigte Einschmelzvorrichtung umfaßt eine außen erwärmte Walzenstruktur 12, die mit einer nichterwärmten Gegendruck- oder Druckwalzenstruktur 14 zusammenarbeitet, um einen Spalt 16 zu bilden, durch den ein Kopieträger 18 mit auf ihm in gut bekannter Weise gebildeten Tonerbildern 20 hindurchgeht. Jedoch ist diese Erfindung nicht auf die Vorrichtung mit einer außen erwärmten Walzenstruktur beschränkt und betrifft auch Vorrichtungen mit innen erwärmten Walzenstrukturen. Die Tonerbilder 20 berühren die erwärmte Walzenstruktur, während eine Kraft zwischen den Walzenstrukturen in herkömmlicherweise angewendet wird, um zwischen ihnen einen Druck zu erzeugen, was eine Verformung einer der Walzenstrukturen durch die andere ergibt, um dadurch den Spalt 16 zu bilden.
• Wenn der Träger aus dem Spalt 16 herausläuft, wird er durch eine Abstreifeinrichtung (nicht gezeigt) von der erwärmten Walzenstruktur abgestreift, wonach er frei ist, sich längs eines vorbestimmten Weges in Richtung zu dem Ausgang der Maschine (nicht gezeigt) zu bewegen, in der die Einschmelzvorrichtung 10 verwendet werden soll.
• Ein Temperatursensor 24 ist zum Erfassen der Oberflächentemperatur der von außen erwärmten Walzenstruktur 12 vorgesehen und hält in Verbindung mit einer herkömmlichen Steuerung 26 die Oberflächentemperatur auf einem vorbestimmten Wert, beispielsweise in der Größenordnung von 190 bis 205ºC (375-400ºF). Die erwärmte Walzenstruktur 12 umfaßt einen Zylinder 28, der eine äußere Heizlampe 30 und einen Reflektor 31 nahe der äußeren Oberfläche der genannten erwärmten Walzenstruktur aufweist. Das Heizelement strahlt, wenn es in geeigneter Weise über die vorgenannte Steuerung mit Strom versorgt wird, Wärme auf eine äußere Oberfläche der Struktur 12 ab, die vorzugsweise einen Silikon- oder Viton (Handelsmarke von E. du Pont de Nemours & Co.) -Gummi mit einer Dicke im Bereich von 0,25 mm (0,010 Zoll) bis ungefähr 2,5 mm (0,100 Zoll) umfaßt.
• Die Gegendruckwalzenstruktur 14 umfaßt einen festen Metallkern 32, auf dem eine relativ dicke Schicht 34 aus einem verformbaren Material angebracht werden kann, beispielsweise ein Elastomer, das als Ethylenpropylenperpolymer bekannt ist, das auf stereospezifischen, linearen Polymeren aus Ethylen, Propylen und geringen Mengen nicht konjugierten Dienen basiert, das üblicherweise als EPDN bezeichnet wird, wobei diese Schicht einen dünnen Überzug aus PFA trägt. PFA ist ein fluoriertes Copolymer von Perfluoralkoxy und Tetrafluoräthylen. Wegen der Konstruktion der gezeigten Gegendruckwalzenstruktur wird sie durch die härtere, erwärmte Walzenstruktur 12 verformt, wenn der erforderliche Druck zwischen ihnen angewendet wird, wobei der Druck eine Funktion der erwünschten Verformung ist, die der erwünschten Länge des Spaltes 16 entspricht. Die Erfindung kann auch bei einer Einschmelzeinrichtung verwendet werden, bei der die erwärmte (Einschmelz-) Walze durch Druck oder die Gegendruckrolle verformt wird.
• Eine geschlitzte Scheibe 36 ist an der Einschmelzwalze angebracht und dient als ein optischer Unterbrecher, der in Verbindung mit einem Lichtfühler oder einer Fotozelle 38 einen Zug elektrischer Pulse nur dann liefert, wenn sich die Einschmelzwalze dreht. Die Pulse werden durch ein Kondensatorfilter 40 aufbereitet, um sicherzustellen, daß die Pulse kürzer als der halbe Zyklus der Wechselstromversorgung für die Heizlampe 30 ist (in dem Fall einer 60 Hz Versorgung ist dies weniger als 1/120 einer Sekunde). Eine richtige Auswahl der Schlitzweite des Unterbrechers kann auch verwendet werden, die Pulse aufzubereiten. Ferner ist die Pulsfrequenz viel kleiner als die der Wechselstromversorgung, so daß der Lampenarbeitszyklus niedrig ist (beispielsweise weniger als 20% und die Lampe wird kürzer als ein Fünftel der Zyklen mit Energie versorgt). Die aufbereiteten Pulse werden zu einer Schalteinrichtung (die einen Triac 42) über den elektronischen Schalter 44 geführt, der Teil der Temperatursteuerschaltung ist und der betätigt wird, wenn die Walzentemperatur unterhalb des vorbestimmten Temperatureinstellpunktes absinkt. Der Triac verbindet die Wechselstromquelle 46 betriebsmäßig mit der äußeren Heizlampe 30. Eine Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung könnte natürlich verwendet werden, um HF-Rauschen, das erzeugt wird, wenn der Triac in der Mitte des Zyklus betätigt wird, zu verringern, indem der Einschaltbefehl verzögert wird, bis der nächste Zyklus startet.
• Der Triac 42 könnte durch andere geeignete Schalteinrichtungen ersetzt werden, beispielsweise durch einen oder mehrere gesteuerte Siliziumgleichrichter.
• Da ein durchgehender Zug von Pulsen verlangt wird, um die Lampe eingeschaltet zu halten, ist dieses Steuerverfahren in bezug auf die Einschmelzwalzendrehung sicher. Es gibt für das System keine Möglichkeit, Impulse zu erzeugen, wenn die Einschmelzwalze und die an ihr angebrachte Scheibe anhalten. Es hat den zusätzlichen Vorteil, daß, sollte sich die Walze verlangsamen, die Durchschnittsleistung, die an die Walze geliefert wird, proportional verringert würde.
• Ferner verlangt der niedere Arbeitszyklus der Lampe 30 einen Sicherheitsschutz für den Fall eines Kurzschlusses des Triac oder des gesteuerten Siliziumgleichrichters. Dies ergibt sich daraus, daß ein Einschmelzlampenfaden im wesentlichen eine Zeitmittelungseinrichtung für Zeitabschnitte unterhalb einiger weniger Zehntel Sekunden ist. Somit könnte eine 10 Volt Lampe entweder fortlaufend bei 10 Volt oder bei 100 Volt mit einem Arbeitszyklus von 10% betrieben werden, solange die Zykluszeit kurz im Vergleich mit der Wärmezeitkonstanten des Fadens der Lampe ist. Diese Zeitkonstante ist die Zeit, die für den Lampenfaden erforderlich ist, auf ein 1/e seiner Betriebstemperatur bezogen auf die Umgebungstemperatur abzukühlen, sobald der Strom unterbrochen ist. Mathematisch ausgedrückt ist dies die Zeit für die Temperatur, um zu erreichen:
• Ta + (To - Ta)/e
• worin Ta die Umgebungstemperatur ist, To die Fadenbetriebstemperatur und e der natürliche Logerithmus ist. Vorzugsweise ist die Lampe für einen vollen Leistungsverbrauch bei 10% Arbeitszyklus bei 120 V Wechselspannung ausgelegt, so daß sie beträchtlich überlastet wäre, wenn der Triac kurzschließen sollte und bewirkt, daß der Arbeitszyklus tatsächlich auf 100% ansteigt. Das System würde somit sicher durch ein relativ preisgünstiges Durchbrennen der Lampe statt durch einem möglicherweise katastrophalen Brand versagen.

Claims (7)

1. Eine Berührungseinschmelzvorrichtung (10) mit einer Einschmelzwalzenstruktur (12), die in Berührung mit einer Gegendruckwalzenstruktur (14) drehbar ist und mit dieser einen Spalt (16) bildet, durch den ein Kopieträger (18), der Tonerbilder trägt hindurchläuft, wobei die Tonerbilder die Einschmelzwalzenstruktur (12) berühren:

eine Wärmequelle (30) zum Erhöhen der Temperatur der genannten Einschmelzwalzenstruktur (12);

eine Schalteinrichtung (42), die zum Koppeln der genannten Wärmequelle (30) und einer Wechselstromquelle (46) betreibbar ist; und

eine Betätigungseinrichtung (36, 38, 40, 44) zum periodischen Betätigen der genannten Schalteinrichtung (42), wenn die Temperatur der Einschmelzwalzenstruktur (12) unter einen vorbestimmten Temperatureinstellpunkt absinkt, um periodisch die genannte Wärmequelle (30) mit der genannten Wechselstromquelle zu koppeln, wodurch der Arbeitszyklus des Stromsignals, das die Wärmequelle (30) mit Energie versorgt derart ist, daß eine Überlastung der genannten Wärmequelle (30) verhindert wird, während der Betrieb der genannten Wärmequelle (30) bei ungefähr vollem Leistungsverbrauch durchgeführt wird, und wodurch irgendein Schaltkreisversagen, das zu einer fortlaufenden Stromversorgung der genannten Wärmequelle (30) führt, zu einer Stromunterbrechung und einem sicheren Abschalten durch Versagen der Wärmequelle (30) führt, bevor ein Brand oder eine Überhitzung auftreten kann, wobei die genannte Betätigungseinrichtung (36, 38, 40, 44) eine Einrichtung (36, 38) enthält, die auf die Drehung einer der Walzenstrukturen zum Erzeugen eines die Drehung der Walzenstruktur anzeigenden Zuges elektrischer Pulse anspricht, wobei die Betriebsfrequenz der genannten Betätigungseinrichtung relativ niedrig zu der Frequenz des Wechselstromes ist, der die Wärmequelle (30) mit Energie versorgt, um sicherzustellen, daß die Wärmequelle (30) bei einem maximalen über die Zeit gemittelten Leistungsverbrauch betrieben wird, der das Lampenleistungsmaß der Wärmequelle (30) nicht überschreitet.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, in der die genannte Wärmequelle (30) außerhalb der genannten Einschmelzwalzenstruktur (12) angeordnet ist.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, in der die genannte Einrichtung (36, 38), die auf die Drehung einer der genannten Walzenstrukturen (12, 14) anspricht, eine geschlitzte Scheibe (36), die von einer der genannten Walzenstrukturen getragen wird, und eine Fotozelle (38) umfaßt.

4. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Wärmequelle (30) eine Fadenlampe (30) ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, in der die maximale Periode zwischen Schaltbetätigungen kurz in bezug auf die charakteristische Wärmeerholungszeit des Lampenfadens ist, um eine Fadenermüdung aufgrund thermischer Wechsel zu minimieren.

6. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, in der die genannte Schalteinrichtung (42) einen Triac oder einen oder mehrere gesteuerte Siliziumgleichrichter umfaßt.

7. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Einrichtung zum Aufbereiten der genannten Signale enthält, so daß sie eine geringere Dauer als die Halbwellenperiode des Wechselstromes haben.