DE69821071T2 - Schmelzfixiersystem - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Farb-Schmelzfixiersystem unter Anwendung von Wärme und Druck für eine elektrofotografische Druckvorrichtung, und insbesondere betrifft die Erfindung einen Schmelzfixierer mit Droop-Kompensation.
  • Bei einem typischen elektrofotografischen Druckprozess wird ein fotoleitendes Element auf ein im Wesentlichen gleichförmiges Potenzial aufgeladen, um so dessen Oberfläche zu sensibilisieren. Der geladene Bereich des fotoleitenden Elementes wird belichtet, um die darauf befindlichen Ladungen in den bestrahlten Bereichen selektiv zu dissipieren. Dadurch wird ein latentes elektrostatisches Bild auf dem fotoleitenden Element aufgezeichnet. Nachdem das latente elektrostatische Bild auf dem fotoleitenden Element aufgezeichnet wird, wird das latente Bild entwickelt, indem ein Entwicklermaterial damit in Kontakt gebracht wird. Im Allgemeinen umfasst das Entwicklermaterial Tonerpartikel, die triboelektrisch an Trägerteilchen haften. Die Tonerpartikel werden von den Trägerteilchen entweder auf eine Donorwalze oder auf ein latentes Bild auf dem fotoleitenden Element angezogen. Der von einer Donorwalze angezogene Toner wird dann auf einem elektrostatischen, latenten Bild auf einer ladungshaltenden Oberfläche abgelagert, welche für gewöhnlich ein Fotorezeptor ist. Das Tonerpulverbild wird dann vom fotoleitenden Element auf ein Kopiersubstrat übertragen. Die Tonerpartikel werden erhitzt, um das Pulverbild permanent auf dem Kopiersubstrat anzubringen.
  • Um das Tonermaterial auf dem Trägerelement mittels Hitze permanent aufzubringen oder zu schmelzen, ist es erforderlich, die Temperatur des Tonermaterials auf einem Punkt zu erhöhen, bei der die Bestandteile des Tonermaterials klebrig werden und sich verbinden. Dies bewirkt, dass der Toner in einem gewissen Ausmaß auf die Fasern oder Poren des Trägerelementes fließt oder andernfalls auf dessen Oberflächen. Wenn danach das Tonermaterial abkühlt, tritt eine Verfestigung des Tonermaterials auf, was bewirkt, dass das Tonermaterial fest mit dem Trägerelement verbunden ist.
  • Ein Ansatz, um Bilder aus Tonermaterial auf Trägersubstrate thermisch aufzuschmelzen, war, das Substrat mit dem darauf befindlichen, nicht geschmolzenen Tonerbild zwi schen einem Paar von gegenüberliegenden Walzenelementen durchzuführen, von denen wenigstens eines intern geheizt wird. Während des Betriebs eines derartigen Schmelzfixiersystems wird das Trägerelement, auf dem die Tonerbilder elektrostatisch anhaften, durch den Spalt bewegt, der zwischen den Walzen gebildet wird, wobei das Tonerbild die erhitzte Fixierwalze kontaktiert, um so das Aufheizen des Tonerbildes zwischen dem Walzenspalt zu bewirken. Bei einer spaltbildenden Fixierwalze (NFFR = Nip Forming Fuser Roll), wird die aufgeheizte Fixierwalze mit einer Schicht oder Schichten ausgestattet, die durch eine härtere Anpresswalze deformierbar sind, wenn die zwei Walzen gegeneinander gepresst werden. Die Länge des Spaltes bestimmt die Verweildauer oder Zeitdauer, die die Tonerpartikel in Kontakt mit der Oberfläche der aufgeheizten Walze verbleiben.
  • Die aufgeheizte Fixierwalze ist gewöhnlich die Walze, die das Tonerbild auf einem Substrat, wie z. B. einem einfachen Papier, kontaktiert. In jedem Fall ist die Walze, die das Tonerbild kontaktiert, gewöhnlich mit einem abhäsiven (niedrige Oberflächenenergie) Material versehen, um zu vermeiden, dass Toner auf das Schmelzelement übertragen wird. Drei Materialien, die üblicherweise für solche Zwecke verwendet werden, sind PFA, VitonTM und Silikonkautschuk.
  • Wenn eine spaltbildende Fixierwalze (NFFR) aus dem Bereitschafts-Betriebsmodus (Standby) in den aktiven Betriebsmodus übergeht, und die Energie erhöht wird, die an den inneren Heizer der Fixierwalze angelegt wird, so strömt die Wärme nicht schnell genug zur äußeren Oberfläche der Fixierwalze, um deren Temperatur auf die gewünschte Fixiertemperatur zu bringen. Dieses Phänomen wird als Droop (to droop = ermatten, erlahmen) bezeichnet. Alle NFFR-Schmelzeinrichtungen, die industriell hergestellt werden, weisen das Droop-Phänomen auf, wenn die thermische Last zunimmt.
  • Aufgrund der thermischen Trägheit des Kerns der Fixierwalze kann eine innen vorgesehene Lampe das Droop-Phänomen nicht vermeiden. Bei monochromatischen (d. h. nur einfarbigen Bildern) Fixiervorrichtungen, bei denen Droop auftritt, ist die Auswirkung auf die Kopierqualität für den Kunden nicht sichtbar oder bemerkbar. Beim Fixieren von Farbbildern beeinträchtigt die Fixierwalzentemperatur das Erscheinungsbild der Kopie. Dadurch können der Glanz und die Farben von Farbbildern nachteilig durch das Droop- Phänomen beeinflusst werden. Daher ist es wichtig, dass alle Schmelz-/Fixiervorgänge bei einer im Wesentlichen konstanten Fixierwalzentemperatur durchgeführt werden.
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine NFFR-Farb-Fixiervorrichtung bereitzustellen, bei der das Droop-Phänomen minimiert ist.
  • Die US-A-4,567,349 offenbart eine Hitze- und Druckschmelzvorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern auf einem Substrat. Die Vorrichtung ist durch die Tatsache gekennzeichnet, dass ein Silikonöltrennmittel, das für gewöhnlich bei solchen Geräten erforderlich ist, nicht notwendig ist. Das Schmelzelement, das die Tonerbilder kontaktiert, weist eine äußere Schicht aus festem abhäsiven Material auf, das in der Lage ist, diese Eigenschaft beizubehalten, ohne dass es während der Lebensdauer der Vorrichtung zu einer Verschlechterung dieser Eigenschaft kommt. Das Schmelzelement ist so konstruiert, dass die abhäsive Beschichtung zur Bildung des Spalts, der zwischen dem Schmelzelement und einer Stützwalze gebildet wird, beiträgt.
  • Die US-A-4,197,445 offenbart eine Wärme- und Druckwalzen-Schmelzvorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern auf Kopiersubstrat, wobei der Toner thermoplastisches Harz umfasst. Die Vorrichtung weist eine beheizte Fixierwalze auf, die mit einer Backup- oder Druckwalze zusammenwirkt, um einen Spalt zu bilden, durch den Kopiersubstrate mit vergleichsweise hoher (d. h. 12–20 Inch/s, 300–500 mm/s) Geschwindigkeiten passieren, wobei die Bilder die beheizte Walze kontaktieren. Die beheizte Fixierwalze ist gekennzeichnet durch eine vergleichsweise dicke (d. h., 10 mil oder mehr, 0,25 mm oder mehr) äußere Schicht oder Oberfläche, die beispielsweise aus einem hochgradig isolierenden Material gebildet wird, wie z. B. Silikonkautschuk oder Viton, das mit einem niederviskosen polymeren fluidem Trennmittel versehen wird. Das Erhöhen der Temperatur der beheizten Walze während einer Bereitschafts- oder Aufwärmphase wird durch ein im Inneren vorgesehenes Heizelement bewirkt, während ihre Betriebstemperatur während des aktiven Betriebs durch einen externen Heizer erreicht wird.
  • Eine weitere spaltbildende Fixierwalzenstruktur mit einem internen und einem externen Heizer ist aus der EP-A-0314099 bekannt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine spaltbildende Fixierwalzenstruktur zum Fixieren von Farb-Tonerbildern auf ein Substrat ein Kernelement, eine verformbare äußere Schicht, die an dem Kernelement haftet, eine erste Wärmequelle, die innerhalb des Kerns angeordnet ist, eine zweite Wärmequelle, die außerhalb des Kerns und an die verformbare äußere Schicht angrenzend angeordnet ist, und einen Temperatursensor, der die Oberflächentemperatur der verformbaren äußeren Schicht überwacht, und ist gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die die erste Wärmequelle während einer Bereitschafts-Betriebsart (Standby-Modus) auf einem ersten konstanten Energiepegel und während einer Lauf-Betriebsart (aktiver Betriebsmodus) auf einen zweiten konstanten Energiepegel, der über dem ersten konstanten Energiepegel liegt, betreibt und die zweite Wärmequelle auf einem variablen Energiepegel betreibt, um eine Oberflächentemperatur der verformbaren äußeren Schicht während der Lauf- und Bereitschafts-Betriebsarten entsprechend der Temperatur von allein der verformbaren äußeren Schicht, die mit dem Temperatursensor überwacht wird, auf einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten.
  • Eine spezielle Ausführungsform einer NFFR-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen:
  • 1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm ist, welcher das Droop-Phänomen wiedergibt, das eine herkömmliche Schmelzvorrichtung aufweist;
  • 2 ein Zeit-Leistungs-Diagramm ist, welches das Droop-Phänomen wiedergibt, das eine herkömmliche Schmelzvorrichtung aufweist;
  • 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm ist, das die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zur Vermeidung des Droop-Phänomens wiedergibt;
  • 4 ein Zeit-Leistungs-Diagramm ist, für den Fall, dass eine konstante Leistung an eines von zwei Heizelementen angelegt ist und die variable Leistung an das andere der zwei Heizelemente; und
  • 5 eine schematische Darstellung einer Heiz- und Druckwalzen-Schmelzvorrichtung ist, bei der die vorliegende Erfindung integriert ist.
  • 5 offenbart eine mehrlagige spaltbildende Fixierwalzenstruktur (NFFR), die generell durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet wird. Die Schmelzvorrichtung umfasst eine beheizte Walzenstruktur 12, die mit einer nicht-beheizten Abstützwalzen-Struktur 14 zusammenwirkt, um einen Spalt 16 zu bilden, durch den ein Kopiersubstrat 18 mit darauf gebildeten Tonerbildern in einer wohlbekannten Art und Weise passiert. Tonerbilder 20, die auf einem Endsubstrat 18 aufgetragen sind, kontaktieren die beheizte Walzenstruktur während eine Kraft zwischen den Walzenstrukturen in einer wohlbekannten Art und Weise angelegt wird, um einen Druck dazwischen zu erzeugen, was zur Deformation der beheizten Fixierwalzenstruktur durch die unbeheizte Druckwalzenstruktur führt, um dadurch den Spalt 16 zu bilden.
  • Wenn ein Substrat 18 aus dem Spalt 16 herauskommt, schält es sich für gewöhnlich selbst ab, mit Ausnahme von sehr leichten Substraten. Diese Substrate werden vom Schmelzspalt über eine nicht-gezeigte Papierführung weggeführt. Nach dem Separieren von der Fixierwalze sind die Substrate frei, um sich entlang eines vorbestimmten Pfads in Richtung des Ausgangs der Maschine (nicht gezeigt) zu bewegen, in welcher die Schmelzvorrichtung 10 verwendet wird.
  • Ein Kontakttemperatursensor 24 ist vorgesehen, um die Oberflächentemperatur der Walzenstruktur 12 zu messen und in Zusammenarbeit mit herkömmlichen Schaltungen die Oberflächentemperatur auf einem vorbestimmten Wert zu halten, z. B. in der Größenordnung von 375–400°F (190–205°C). Die beheizte Walzenstruktur 12 umfasst einen starren Kern oder Hohlzylinder 26, der in seinem Hohlraum einen abstrahlenden Quarzheizer 28 aufweist. Eine deformierbare äußere Schicht 30 kann VitonTM oder Silikonkautschuk umfassen, die an dem Kern 26 in einer wohlbekannten Art und Weise angebracht sind. Die äußere Schicht kann eine Dicke in der Größenordnung von 10– 150 mil (0,25–3,75 mm) aufweisen.
  • Da die äußere Schicht 30 nicht ausreichend abhäsiv ist, hat es sich als wünschenswert herausgestellt, diese Schicht mit einem Trennmittel 36 zu beschichten, das in einer Wanne 38 vorgesehen ist. Das Mittel 36 umfasst ein Trennmittel auf Polymerbasis, wie z. B. Silikon, Mercapto oder Aminosilikonöl.
  • Zum Zwecke des Beschichtens der beheizten Walzenstruktur 12 ist ein Trennmittel-Managementsystem (RAM) vorgesehen, das im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 40 bezeichnet wird. Der Mechanismus 40 umfasst eine Donor-Walze 42, eine Dosierwalze 44, eine Rakel 46 und ein Dochtmaterial 48. Die Dosierwalze 44 ist teilweise in das Trennmittel 36 eingetaucht und ist rotierbar gelagert, so dass es mit der Donor-Walze 42 in Kontakt gelangt und weiter so gelagert ist, dass sie mit der beheizten Walzenstruktur 12 in Kontakt gelangt. Wie ersichtlich ist, sind die Walzen 42 und 44 so orientiert, dass sie einen Pfad bilden, um Material 46 aus der Wanne zur Oberfläche der beheizten Walzenstruktur 12 zu leiten. Die Dosierwalze ist bevorzugt eine Nickel- oder verchromte Stahlwalze mit einem 4–32 AA-Oberflächenzustand. Die Dosierwalze hat einen äußeren Durchmesser von 1,0 Inch (25 mm). Wie oben erwähnt, wird die Dosierwalze drehbar gelagert, so dass Drehung über die positiv angetriebene beheizte Walzenstruktur 12 über die drehbar gelagerte Donor-Walze 42 bewirkt wird.
  • Das Dochtmaterial 48 ist vollständig in das Trennmittel eingetaucht und kontaktiert die Oberfläche der Dosierwalze 44. Der Zweck des Dochtmaterials ist es, ein Luftsiegel bereitzustellen, das die Luftschicht stört, welche sich auf der Oberfläche der Walze 44 während deren Rotation bildet. Ohne die Funktion de Dochtmaterials würde die Luftschicht koextensiv mit der Oberfläche der in das Trennmittel eingetauchten Walze sein, wodurch der Kontakt zwischen der Dosierwalze und dem Trennmittel verhindert werden würde.
  • Die Rakel 46 ist vorzugsweise aus Viton hergestellt und weist einen Querschnitt von 3/4 × 1/8 Inch (19 × 3 mm) auf und eine Länge, die gleich groß wie jene der Dosierwalze ist. Die Kante der Rakel, die die Dosierwalze kontaktiert, hat einen Radius von 0,001–0,010 Inch (0,025–0,25 mm). Die Rakel bewirkt, dass die durch die Walze 44 aufgenommene Trennmittelmenge eine vorbestimmte Dicke aufweist, wobei die Dicke eine solche Größe aufweist, dass im Endergebnis einige Mikroliter von Trennmittel pro Kopie verbraucht werden. Die Donor-Walze 42 hat einen äußeren Durchmesser von 1,0 Inch (25,4 mm), wenn der äußere Durchmesser der Dosierwalze 1,0 Inch (25,4 mm) ist. Es versteht sich von selbst, dass andere Dimensionierungen ebenfalls zufriedenstellende Ergebnisse liefern können. Zum Beispiel wurden Walzen mit einem Durchmesser von 1,5 Inch (38 mm) für die Donor- und Dosierwalzen verwendet. Die deformierbare Schicht 49 der Donor-Walze umfasst bevorzugt eine Silikonkautschuk-Beschichtung. Jedoch wurden auch andere Materialien verwendet.
  • Die Andruckwalzenstruktur 14 umfasst einen vergleichsweise dicken Kern 50 aus starrem Metall, auf welchem eine vergleichsweise dünne Elastomerschicht 52 aufgeklebt ist, die z. B. aus Silikonkautschuk besteht. Die Schicht 52 kann nochmals mit einer dünnen Schicht aus PFA (Perfluoroalkoxy-Harz) beschichtet sein. Aufgrund der Konstruktion der Andruckwalze deformiert sie die deformierbare Schicht 30 der beheizten Walzenstruktur, wenn zwischen diesen der erforderliche Druck angelegt wird, wobei der Druck ein Funktion der gewünschten Deformation ist, welche der gewünschten Länge des Spalts 16 entspricht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung dient das Heizelement 28 dazu, die Temperatur der Walzenstruktur 12 unter Verwendung einer Energiequelle 54 zu erhöhen. Der Betrieb der Energiequelle 54 bei einer konstanten Leistungsabgabe an das Heizelement wird über eine Steuervorrichtung 56, einen Magnetschalter 58 und den Temperatursensor 24 gesteuert.
  • Eine externe Wärmequelle umfasst eine Lampe 60 und einen Reflektor 52, die gegenüberliegend der deformierbaren äußeren Oberfläche 30 vorgesehen sind, um thermische Energie gemäß den Absichten und Intentionen der vorliegenden Erfindung abzustrahlen. Über eine Energiequelle 46 und einen Magnetschalter 46 wird variable Leistung an die Lampe 60 geliefert. Der Betrieb der Energiequelle 64 wird unter Verwendung der Steuervorrichtung 56 und des Temperatursensors 24 gesteuert.
  • Die Datenaufnahme, Datenspeicherung und Berechnung, die auf den vom Temperatursensor ausgelesenen Daten und den Maschinenbetriebszuständen basieren; die bei dieser Erfindung involviert sind, liegen innerhalb der Fähigkeiten von gegenwärtigen und zukünftigen Maschinensteuerungen auf Mikroprozessorbasis.
  • Wenn das Quarz-Heizelement 28 über die Energiequelle 54 und den Magnetschalter 58 mit Energie versorgt wird, strahlt dieses Heizelement Wärme auf den Strahlenkern 26 ab, von wo sie dann zur äußeren Oberfläche einer äußeren deformierbaren Schicht 30, die auf dem Strahlenkern 26 aufgeklebt ist, geleitet wird.
  • Beim Betrieb einer herkömmlichen NFFR-Schmelzfixiervorrichtung hält das Heizelement 28 die Fixierwalzenoberfläche auf einer Bereitschaftstemperatur von etwa 385°F, was in 1 mit dem Bezugszeichen 72 bezeichnet wird. Während des Bereitschaftszustands (Standby) wird die Temperatur des Kerns 26 durch das Bezugszeichen 70 dargestellt. Während eines aktiven Modus steigt die Kerntemperatur auf einen Wert an, der mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet wird. Jedoch ist dieser Anstieg nicht stark genug, um die Oberflächentemperatur der Schicht auf der erforderlichen Schmelztemperatur zu halten. Die Temperatur der Oberfläche der äußeren Schicht fällt signifikant auf etwa 335°F (168°C), wie durch das Bezugszeichen 76 angezeigt wird. Dieser Temperaturabfall ist der Droop-Effekt, der bei herkömmlichen Schmelzvorrichtungen auftritt. Die eingespeiste Leistung gegenüber der Zeit ist in 2 für eine solche Schmelzvorrichtung aufgetragen.
  • Gemäß der Erfindung wird der Droop-Effekt minimiert, indem die externe Wärmequelle 60 zusammen mit der internen Wärmequelle verwendet wird, so dass die Oberflächentemperatur im Wesentlichen auf der Bereitschaftstemperatur von 385°F (196°C) bleibt. Seine Leistungsaufnahme ist, anders als beim Heizelement 28, nicht konstant. Im Gegenteil ist die an die Quelle 60 angelegte Leistung nur für den Zweck vorgesehen, die Oberflächentemperatur der Schicht 30 auf der gewünschten Schmelztemperatur zu halten. Es muss daher unter Verwendung der Lampe nur solange Wärme erzeugt werden, bis die Kerntemperatur auf einem Niveau ist, bei dem die Oberflächentemperatur allein unter Verwendung der inneren Wärmequelle auf der Betriebstemperatur gehalten werden kann. Wie anhand von 3 ersichtlich ist, ist die Oberflächentemperatur der Schicht 30 während der Bereitschafts- und Betriebsmodus dieselbe, wie durch das Bezugszeichen 80 angezeigt ist. Ferner ist anhand von 3 ersichtlich, dass die mit dem Bezugszeichen 82 bezeichnete Kerntemperatur beträchtlich höher als die Kerntemperatur 84 ist, und zwar aufgrund des gemeinsamen Wirkens der zwei Wärmequellen. Bezugnehmend auf 4 ist ferner ersichtlich, dass die Leistung, die durch (a) das Heizelement 28 geliefert wird, konstant ist, sobald ihr Sollwert erreicht wird, während die Leistung (b), die an die Lampe 60 geliefert wird, gegen Null geht, wenn die Kerntemperatur einen Wert erreicht, bei dem die Fixierwalzenoberfläche allein unter Verwendung des internen Heizers auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann.

Claims (5)

  1. Spaltbildende Fixierwalzenstruktur zum Fixieren von Farb-Tonerbildern auf einem Träger, die umfasst: ein Kernelement (26); eine verformbare äußere Schicht (30), die an dem Kernelement (26) haftet; eine erste Wärmequelle (28), die innerhalb des Kerns (26) angeordnet ist; eine zweite Wärmequelle (60), die außerhalb des Kerns (26) und an die verformbare äußere Schicht (30) angrenzend angeordnet ist; und einen Temperatursensor (24), der die Oberflächentemperatur der verformbaren äußeren Schicht überwacht; gekennzeichnet durch: eine Steuereinrichtung (56), die die erste Wärmequelle (28) während einer Bereitschafts-Betriebsart auf einem ersten konstanten Energiepegel und während einer Lauf-Betriebsart auf einem zweiten konstanten Energiepegel, der über dem ersten konstanten Energiepegel liegt, betreibt und die zweite Wärmequelle (16) auf einem variablen Energiepegel betreibt, um eine Oberflächentemperatur der verformbaren äußeren Schicht (30) während der Lauf- und der Bereitschafts-Betriebsart entsprechend der Temperatur lediglich der verformbaren äußeren Schicht (30), die mit dem Temperatursensor überwacht wird, auf einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten.
  2. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (56), die die zweite Wärmequelle (60) auf einem variablen Energiepegel betreibt, eine Einrichtung zum Einleiten abnehmender Energie in die zweite Wärmequelle (60) umfasst.
  3. Struktur nach Anspruch 2, wobei die der zweiten Wärmequelle (60) zugeführte Energie abgeschaltet wird, wenn die Temperatur des Kernelementes (26) einen Wert hat, der ausreicht, um die verformbare äußere Schicht (30) auf dem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten.
  4. Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kernelement (26) eine starre Struktur umfasst.
  5. Struktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kernelement (26) und die verformbare Schicht (30) eine Walzenstruktur umfassen.
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