EP1369751A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat Download PDF

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EP1369751A1
EP1369751A1 EP03004610A EP03004610A EP1369751A1 EP 1369751 A1 EP1369751 A1 EP 1369751A1 EP 03004610 A EP03004610 A EP 03004610A EP 03004610 A EP03004610 A EP 03004610A EP 1369751 A1 EP1369751 A1 EP 1369751A1
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EP
European Patent Office
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toner
substrate
fixing
preheating
temperature
Prior art date
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EP03004610A
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English (en)
French (fr)
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EP1369751B1 (de
Inventor
Knut Behnke
Hans-Otto Krause
Frank-Michael Morgenweck
Domingo Rohde
Detlef Schulze-Hagenest
Lars Seimetz
Dinesh Tyagi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eastman Kodak Co
Original Assignee
Eastman Kodak Co
NexPress Solutions LLC
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Publication date
Application filed by Eastman Kodak Co, NexPress Solutions LLC filed Critical Eastman Kodak Co
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Publication of EP1369751B1 publication Critical patent/EP1369751B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/20—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat
    • G03G15/2003—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for fixing, e.g. by using heat using heat

Definitions

  • the invention relates to a method for fixing toner on a substrate, in which a fixing device (fuser), preferably comprising a toner Contacting, heatable fuser roller, is used to apply the toner Heat temperature greater than or equal to its glass transition temperature.
  • a fixing device preferably comprising a toner Contacting, heatable fuser roller
  • the invention further relates to a device for fixing toner a substrate comprising a fixing device (fuser), preferably with a heatable fuser roller contacting the toner to apply the toner to a Heating temperature greater than or equal to its glass transition temperature, preferably to carry out the aforementioned method.
  • a fixing device preferably with a heatable fuser roller contacting the toner to apply the toner to a Heating temperature greater than or equal to its glass transition temperature, preferably to carry out the aforementioned method.
  • latent electrostatic Image with charged toner particles on an imaging drum developed and on a substrate or a printing material, such as paper in particular in the form of sheets or in the form of a continuous band.
  • Four-color printing for example, turns four latent images into four Color separations cyan, magenta, yellow and black one after the other and one above the other transferred to the substrate.
  • the finished single-color or multi-color latent image is then fixed on the substrate by means of a fixing device. This is usually done by means of a heatable fixing roller the toner image is unrolled and the toner is above its glass transition temperature heated, i.e. melts, and at the same time under pressure incorporated into the substrate to which it is fixed after it has cooled.
  • Adjacent toner particles combine to form one Polymer layer on and on the substrate.
  • a problem can arise with the described procedure if a larger one Number of printing operations can be carried out in a certain unit of time the process should be accelerated. Then namely Fusing process as a speed-limiting factor in the printing process, because it cannot be accelerated linearly.
  • the fixing area is to be enlarged, this can be done in two ways done by increasing the pressure between the fuser roller and the counter pressure roller and this creates a larger flattened area, or by a fusing roller with a larger diameter is used.
  • a higher pressure can in turn increase the life of the fuser roller, in particular their coating, can be reduced, and damage, in particular, there are wrinkles on the substrate.
  • the diameter the fuser roller increases substrate jams can occur more easily.
  • the construction costs and size are problematic.
  • the invention is therefore based on the object, in particular for increasing the speed, the fixing device in one method or one Relieve device of the type mentioned, without any problems of the type described above only to be relocated locally.
  • This object is achieved in terms of the method in that before the toner is heated by the fixing device, preheating without contact is carried out with which the toner is first heated to a temperature is heated less than or equal to its glass transition temperature.
  • Preheating means that the toner is in the range of its glass transition temperature is heated, but does not exceed this temperature to avoid melting the toner.
  • fixing heating the toner above its glass transition temperature.
  • a toner with a glass transition temperature that is as sharply defined as possible is preferred used, so that a preheating and a fixation with their temperature ranges can be close together.
  • the fixing process in particular relieves time and also with regard to the risk of Substrate jams without the problems from the fixing area to the preheating area would be advanced.
  • the contactless preheating of particular advantage is the contactless preheating of particular advantage.
  • a contacting preheating using a heatable saddle that is on the Toner-bearing substrate for heating can be pressed on Principle, for example known from US-A-4147922.
  • Such saddles are, however of relatively large size and can in particular in the so-called Duplex printing, the double-sided printing of a substrate in the beauty and Opposite pressure, raise problems because such saddles are heated so high must, in particular that already on a first page (bottom) of the Substrate fixed print image can be softened and smeared again, especially since a counterpressure element is present on this underside.
  • a preheating according to the invention without contact Temperature well below the glass transition temperature precise and constant can be set and the substrate can even be "floating", for example on an air cushion.
  • the preheating is preferably carried out according to the invention by a microwave application, with which advantageously the substrate and indirectly via the substrate, but also in part the toner is heated immediately.
  • the method according to the invention can be carried out on substrate sheets or (Continuously) applied to substrate tapes.
  • any technique can be used, for example non-contact fixation by microwaves, infrared radiation, Flash exposure or the like, or by touch a belt or a fuser roller or the like. You can also do more Print quality parameters, such as toner gloss, are taken into account.
  • the method according to the invention preferably provides that resonant or standing Find microwaves.
  • the selection and / or Coordination of the resonators worked very targeted and needs-based and in particular various print quality features be worn, as will be explained in the following.
  • the substrate can be exposed to the microwave be moistened. This can be, for example, at 100 ° C hot steam happen.
  • the substrate can preferably be on both sides can be moistened to tension and bends of the substrate avoid.
  • the toner carrying substrate becomes by condensation heat also already warmed.
  • a Means of transport e.g. B. a suction belt or an electrostatic conveyor belt, to transport the substrate from the place of preheating to the place of fixation of the toner to a constant temperature of preferably about 40 ° C is tempered.
  • Waste heat can be used to save energy or ensure high efficiency or energy waste in the broadest sense used for preheating or shared become.
  • purge air can be heated.
  • Waveguides bridging or avoiding distances can be attached to a magnetron towards the applicator.
  • Against leakage radiation in the area of Applicator can have a so-called choke structure with lip-like on material gaps Projections may be provided. Also can absorbent material the outside of the applicator.
  • a device for fixing toner on a substrate comprising a Fixing device (fuser), preferably with a contacting toner heatable fuser roller to bring the toner to a temperature greater than or equal to to heat its glass transition temperature, preferably to carry it out of the method according to the invention, which is distinguished according to the invention by a preheater for contactless preheating of the toner to a temperature less than or equal to its glass transition temperature independent protection claimed.
  • the device according to the invention can be a microwave source to which the preheater for preheating by microwave application connected.
  • the preheater can preferably at least one microwave resonator for generating standing microwaves include.
  • several resonators with horizontal running microwaves in the substrate transport direction one behind the other and each transverse to each other by a fraction of a microwave length be arranged to heat as evenly as possible across the width to achieve the substrate.
  • resonators for example, staggered, arranged perpendicular to each other through the substrate Train running microwaves.
  • a basic design of a device according to the invention can, for example to a combination of a preheating device and a fixing device be designed in which at least one means of transport into the substrate Preheater transported and from the preheater to the fixing device transported, after which a cooling line for the toner-carrying Substrate follows to cool the toner back below its glass transition temperature to reach.
  • All known types of one or several microwave applicators for generating resonant or non-resonant Microwaves can be used for preheating.
  • the device can be easily opened, for example in the form of a clip in order to clear the substrate path in the event of a substrate jam To make traffic jams accessible.
  • the plunger can be replaced by a defined end wall and the tuner can be replaced by fixed metal stubs and / or by blocks made of polytetrafluoroethylene in one Waveguide to adjust the length of the waveguide between the microwave source and the aperture to be replaced.
  • the aperture which is the resonance chamber defined, can have any shape, in particular a rectangular or have spherical or curved shape.
  • the wavelength can in the resonator i.e. the distance between the maxima, by the width of the Resonators perpendicular to the plane of the substrate can be optimized.
  • the width of the maxima is, for example, 94 mm, 84 mm. Therefore with an overlap of two applicators an absolute tolerance of the substrate temperature of 6 ° C ( ⁇ 3 ° C, corresponding to ⁇ 5%) can be achieved.
  • the distance between the maxima is only 73 mm, which too a tolerance of 4 ° C ( ⁇ 2 ° C, corresponding to ⁇ 3%).
  • the height of a resonator in the substrate transport direction is optimized to a to achieve high electric field strength without discharges in the applicator. Therefore good results are achieved with heights of, for example, 54 mm, 34 mm, 24 mm and 20 mm.
  • the smaller values are preferred for a higher electric field strength.
  • a higher electrical field strength increases the efficiency of the microwave system for substrates with lower losses, such as paper.
  • the frequency adjustment of a resonant applicator depends on the size in Longitudinal direction. After a long period of operation, the applicator may heat up due to wall losses caused by surface currents on the inner surface of the applicator, induced by microwave radiation in the applicator, into one Change the tuning (detuning) of the resonant applicator.
  • the frequency-determining parts of the resonant applicator aperture and plunger independent of temperature, possibly temperature stabilized to position each other, the applicator itself is movably mounted so that the internal dimensions of the resonant applicator do not change during continuous operation.
  • Fig. 1 shows a basic, experimental structure of an inventive Contraption. It has a preheating device, the two resonators 1 and 2 comprises and a preheated substrate on a conveyor belt 3 in Transport direction 4 is supplied.
  • the conveyor belt 3 could be the substrate Fix vacuum or electrostatically.
  • the resonators 1, 2 are TE10N resonators, which are transverse to the transport direction 4 are aligned and are arranged one behind the other in the transport direction, and indeed in such a way and to an extent that the maxima the microwave of the first resonator 1 exactly on the gap to the maxima Microwave of the subsequent resonator 2 are positioned.
  • the fixing device essentially comprises a fixing roller shown in cross section 7, by means of an internal heat source 12, for example one Radiation source is heated to a temperature above the Glass transition temperature of the toner on the substrate.
  • an internal heat source 12 for example one Radiation source is heated to a temperature above the Glass transition temperature of the toner on the substrate.
  • this fixing device is a schematic diagram of a sheet-like substrate carrying a toner 9 indicated that after the fixation in the direction of arrow 10 of a cooling is fed.
  • the fixing roller 7 is made from a schematically indicated oil reservoir 11 a silicone oil as a release agent to prevent toner from adhering the fusing roller 7 supplied. As an abutment for the substrate 9 also with pressure fixing roller 7 acts on a counter pressure roller 8.
  • Fig. 2 shows the course of the temperature generated by the resonators 1, 2 in the substrate, once in a broken line when only the resonator 2 is switched on, once in a solid line when only the resonator 1 is switched on, the maxima of which standing microwave to the maxima of the microwave of the resonator 2 exactly to the gap or by half a wavelength of the wavelength of the standing wave shown in Fig. 2 (and Fig. 3), which corresponds to the energy input and is only half as large as the wavelength of originally fed-in free microwave, are arranged out of phase, and once in a solid line as an envelope with both resonators 1 and 2 switched on.
  • the envelope results in a temperature of approximately 75 ° C.
  • a second temperature profile corresponding to FIG. 2 is plotted, however this time with microwave maxima, which are a little closer to each other have as in the representation of Figure 2, which, as mentioned above, by means of the selected width of the resonator can.
  • the temperature curve is due to the smaller maximum distances in FIG. 3 recognizable even more uniformly over the substrate width than in the case of FIG. 2.
  • the relief of the fixing device by means of a preheating according to the invention is to be clarified again in the following using tables.
  • the tables show that higher preheating of the paper as a substrate a reduction in the duration of the fixing process results and therefore allows an increase in the paper transport speed, which means that overall a higher printing speed without problems when fixing can be achieved with a printing press.
  • Example 1 of Table 1 a paper with a specific basis weight of 80 g / m 2 and in the second example in Table 2, a paper with a specific basis weight of 300 g / m 2 is used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, bei dem eine Fixiereinrichtung (7,8), vorzugsweise umfassend eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze (7), verwendet wird, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glassübergangstemperatur zu erhitzen. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend eine Fixiereinrichtung (7,8), vorzugsweise mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze (7). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für eine Geschwindigkeitserhöhung, die Fixiereinrichtung (7,8) bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der genannten Gattung zu entlasten, ohne eventuelle Probleme der im vorhergehenden geschilderten Art nur örtlich zu verlagern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verfahrenshinsicht dadurch gelöst, daß vor der Erhitzung des Toners durch die Fixiereinrichtung (7,8) eine Vorerwärmung berührungslos durchgeführt wird (1,2), mit welcher der Toner zunächst auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur erwärmt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, bei dem eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise umfassend eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze, verwendet wird, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glassübergangstemperatur zu erhitzen.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, vorzugsweise zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Beim elektrostatischen bzw. elektrofotographischen Drucken wird ein latentes elektrostatisches Bild mit geladenen Tonerpartikeln auf einer Bebilderungstrommel entwickelt und auf ein Substrat bzw. einen Bedruckstoff, wie insbesondere Papier in Form von Bögen oder in Form eines fortlaufenden Bandes, übertragen. Dabei werden zum Beispiel beim Vierfarbdruck vier latente Bilder in den vier Farbauszügen Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz nacheinander und übereinander auf das Substrat übertragen. Insbesondere das fertige einfarbige oder mehrfarbige latente Bild wird dann mittels einer Fixiereinrichtung auf dem Substrat fixiert. Dies geschieht üblicherweise mittels einer erwärmbaren Fixierwalze, die auf dem Tonerbild abgerollt wird und dabei den Toner bis oberhalb seiner Glasübergangstemperatur erhitzt, also schmilzt, und gleichzeitig unter Druckbeaufschlagung in das Substrat einarbeitet, an dem es nach seiner Abkühlung fixiert ist. Dabei verbinden sich einander benachbarte Tonerpartikel und bilden letztlich eine Polymerschicht auf und an dem Substrat.
Ein Problem kann bei dem geschilderten Vorgehen auftreten, wenn eine größere Anzahl von Druckvorgängen in einer bestimmten Zeiteinheit durchgeführt werden soll, das Verfahren also beschleunigt werden soll. Dann kann sich nämlich der Fixiervorgang als geschwindigkeitsbegrenzender Faktor des Druckverfahrens erweisen, weil er nicht linear beschleunigt werden kann.
Soll der Fixiervorgang beschleunigt werden, könnte daran gedacht werden, die Temperatur der Fixierrolle zu erhöhen und / oder den Fixierbereich zwischen der Fixierwalze und einer Gegendruckrolle in Substrattransportrichtung zu vergrößern.
Eine Erhöhung der Temperatur führt aber zu einer reduzierten Lebensdauer der Fixierwalze, insbesondere ihrer Beschichtung bzw. Ummantelung. Zudem wird beim Fixieren mit einer Fixierwalze ein Silikonöl als Trennmittel genutzt, um zu verhindern, daß Toner an der Fixierwalze haftet und nachfolgende Druckvorgänge beeinträchtigt. Auch dieses Öl muß häufiger nachgefüllt werden und wird in seinem Verbrauch erhöht, wobei zusätzlich die Gefahr besteht, daß es auf Transporteinrichtungen haftet, diese beschmutzt und weitergetragen wird, so daß auch dieses Öl nachfolgende Druckvorgänge beeinträchtigen kann.
Soll der Fixierbereich vergrößert werden, kann dies im Prinzip auf zweierlei Weise geschehen, indem der Druck zwischen Fixierwalze und Gegendruckrolle vergrößert wird und dadurch ein größerer abgeplatteter Bereich entsteht, oder, indem eine Fixierwalze mit einem größeren Durchmesser verwendet wird. Durch einen größeren Druck kann wiederum die Lebensdauer der Fixierwalze, insbesondere ihrer Beschichtung, verringert werden, und es kann zu Beschädigungen, insbesondere zu Zerknitterungen, des Substrates kommen. Wird der Durchmesser der Fixierwalze vergrößert, kann es leichter zu Substratstaus kommen. Außerdem werden dadurch die Baukosten und die Baugröße problematisch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere für eine Geschwindigkeitserhöhung, die Fixiereinrichtung bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu entlasten, ohne eventuelle Probleme der im vorhergehenden geschilderten Art nur örtlich zu verlagern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verfahrenshinsicht dadurch gelöst, daß vor der Erhitzung des Toners durch die Fixiereinrichtung eine Vorerwärmung berührungslos durchgeführt wird, mit welcher der Toner zunächst auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur erwärmt wird.
"Vorerwärmung" bedeutet dabei, daß der Toner bis in den Bereich seiner Glasübergangstemperatur erhitzt wird, aber diese Temperatur nicht überschritten wird, um ein Schmelzen des Toners zu vermeiden. Demgegenüber beinhaltet "Fixieren" eine Erhitzung des Toners oberhalb seiner Glasübergangstemperatur. Vorzugsweise wird jedoch ein Toner mit einer möglichst scharf definierten Glasübergangstemperatur verwendet, so daß daher eine Vorerwärmung und eine Fixierung mit ihren Temperaturbereichen dicht aneinandergrenzen können.
Durch die erfindungsgemäße, berührungslose Vorerwärmung wird der Fixiervorgang insbesondere zeitlich entlastet und auch im Hinblick auf die Gefahr von Substratstaus, ohne daß die Probleme aus dem Fixierbereich in den Vorerwärmungsbereich vorverlagert würden. Hierbei ist die berührungslose Vorerwärmung von besonderem Vorteil.
Eine kontaktierende Vorerwärmung mittels eines erhitzbaren Sattels, der auf das Toner tragende Substrat zu dessen Erwärmung aufgedrückt werden kann, ist im Prinzip, zum Beispiel aus der US-A-4147922, bekannt. Derartige Sättel sind jedoch von relativ großer Baugröße und können insbesondere beim sogenannten Duplex-Drucken, dem beidseitigen Bedrucken eines Substrates im Schön- und Widerdruck, Probleme aufwerfen, weil derartige Sättel doch so hoch erhitzt werden müssen, daß insbesondere ein schon auf einer ersten Seite (Unterseite) des Substrates fixiertes Druckbild erneut aufgeweicht und verschmiert werden kann, zumal ein Gegendruckelement gerade an dieser Unterseite anliegt. Dagegen kann bei der erfindungsgemäß berührungslos erfolgenden Vorerwärmung eine Temperatur deutlich unterhalb der Glasübergangstemperatur präzise und konstant eingestellt werden und das Substrat kann gegebenenfalls sogar "schwebend", beispielsweise auf einem Luftpolster, transportiert werden. Die Vorerwärmung erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt durch eine Mikrowellenanwendung, mit der mit Vorteil das Substrat und mittelbar über das Substrat, zum Teil aber auch unmittelbar der Toner erwärmt wird.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auf Substratbögen oder (kontinuierlich) auf Substratbänder angewendet werden. Als eigentlicher Fixierschritt kommt die Anwendung einer beliebigen Technik in Betracht, also beispielsweise eine berührungslose Fixierung durch Mikrowellen, InfrarotBestrahlung, Blitzlicht-Bestrahlung oder dergleichen, oder mit Berührung durch ein Band oder eine Fixierwalze oder dergleichen. Dabei können auch weitere Druckqualitätsparameter, wie zum Beispiel Tonerglanz, Berücksichtigung finden.
Bevorzugt sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß resonante bzw. stehende Mikrowellen Anwendung finden. Hierbei kann durch die Auswahl und / oder Abstimmung der Resonatoren sehr zielgerichtet und bedarfsgerecht gearbeitet werden und insbesondere verschiedenen Druckqualitätsmerkmalen Rechnung getragen werden, wie auch im weiteren noch dargelegt werden wird.
Um einen besseren Energieeintrag zu erzielen, kann das Substrat vor der Mikrowellenbeaufschlagung angefeuchtet werden. Dies kann beispielsweise mit 100°C heißem Wasserdampf geschehen. Dabei kann das Substrat vorzugsweise beidseitlg angefeuchtet werden, um Spannungen und Biegungen des Substrates zu vermeiden. Zudem wird durch Kondensationswärme das Toner tragende Substrat ebenfalls bereits erwärmt.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß ein Transportmittel, z. B. ein Saugband oder ein elektrostatisches Transportband, zum Transport des Substrates von dem Ort der Vorerwärmung zum Ort der Fixierung des Toners auf eine konstante Temperatur von vorzugsweise etwa 40°C temperiert wird.
Zur Energieersparnis bzw. für einen hohen Wirkungsgrad können eine Abwärme oder Energieabfälle im weitesten Sinne für die Vorerwärmung genutzt oder mitgenutzt werden. Zum Beispiel kann Abwärme oder ein Energieabfall von einem Magnetron, einem Zirkulator oder von einer Wasserlast genutzt werden. Damit kann beispielsweise Spülluft erwärmt werden.
An ein Magnetron können Abstände überbrückende bzw. vermeidende Wellenleiter hin zum Applikator verwendet werden. Gegen Leckstrahlung im Bereich des Applikators kann an Materialspalten eine sogenannte Choke-Struktur mit lippenartigen Vorsprüngen vorgesehen sein. Auch kann absorbierendes Material an der Außenseite des Applikators verwendet werden.
Für eine Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich erfindungsgemäß auszeichnet durch eine Vorheizeinrichtung zur berührungslosen Vorerwärmung des Toners auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glassübergangstemperatur, wird selbständiger Schutz beansprucht. Die sich dadurch ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert worden.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mikrowellenquelle umfassen, an welche die Vorheizeinrichtung für eine Vorwärmung durch Mikrowellenanwendung angeschlossen ist. Dabei kann die Vorheizeinrichtung vorzugsweise wenigstens einen Mikrowellenresonator zur Erzeugung stehender Mikrowellen umfassen. Es können insbesondere mehrere Resonatoren mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Substrattransportrichtung hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt zueinander angeordnet sein, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung über die Breite des Substrates zu erzielen. Es können aber beispielsweise auch Resonatoren, zum Beispiel zueinander gestaffelt, angeordnet sein, die lotrecht durch das Substrat verlaufende Mikrowellen ausbilden.
Eine prinzipielle Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise auf eine Kombination einer Vorheizeinrichtung und eine Fixiereinrichtung konzipiert sein, bei der wenigstens ein Transportmittel das Substrat in die Vorheizeinrichtung transportiert und von der Vorheizeinrichtung in die Fixiereinrichtung transportiert , wonach eine Abkühlungsstrecke für das Toner tragende Substrat folgt, um eine Abkühlung des Toners wieder unter seine Glasübergangstemperatur zu erreichen. Dabei können alle bekannten Arten von ein oder mehreren Mikrowellenapplikatoren zur Erzeugung resonanter oder nichtresonanter Mikrowellen für die Vorerwärmung verwendet werden.
Die Vorrichtung kann leicht zu öffnen, beispielsweise klammerartig, ausgebildet sein, um im Falle eines Substratstaus den Substratweg für eine Beseitigung dieses Staus zugänglich zu machen.
Für eine resonante Mikrowellenerzeugung wird üblicherweise ein kontaktierender oder nicht-kontaktierender Tauchkolben (plunger) zur Abstimmung des Mikrowellenapplikators verwendet. Bei eine genauen Bestimmung der Applikatorgeometrie ist ein solcher plunger oder ein tuner nicht notwendig. Der plunger kann durch eine definiert plazierte Endwand ersetzt werden und der tuner kann durch fixe Metallstummel und / oder durch Blöcke aus Polytetrafluoräthylen in einem Wellenleiter zur Einstellung der Länge des Wellenleiters zwischen der Mikrowellenquelle und der Apertur ersetzt werden. Die Apertur, welche die Resonzkammer definiert, kann eine beliebige Form, insbesondere eine rechtwinkelige oder sphärische bzw. gebogene Form haben.
Im Falle insbesondere der Verwendung eines TE10N-Resonators kann die Wellenlänge im Resonator, das heißt der Abstand der Maxima, durch die Weite des Resonators senkrecht zur Ebene des Substrates optimiert werden. Bei einer Weite von beispw. 94 mm beträgt der Abstand der Maxima 84 mm. Daher kann bei einer Überlappung von zwei Applikatoren eine absolute Toleranz der Substrattemperatur von 6°C (± 3°C, entsprechend ± 5 %) erreicht werden. Bei einer Weite von beispw. 109 mm beträgt der Abstand der Maxima nur 73 mm, was zu einer Toleranz von 4°C (± 2°C, entsprechend ± 3 %) führt.
Die Höhe eines Resonators in Substrattransportrichtung wird optimiert, um eine hohe elektrische Feldstärke zu erreichen, ohne Entladungen im Applikator. Daher werden gute Resultate erzielt mit Höhen von beispw. 54 mm, 34 mm, 24 mm und 20 mm. Die kleineren Werte werden für eine höhere elektrische Feldstärke bevorzugt. Eine höhere elektrische Feldstärke erhöht die Effizienz des Mikrowellensystems für Substrate mit niedrigeren Verlusten, wie zum Beispiel Papier.
Die Frequenzanpassung eines resonanten Applikators ist größenabhängig in Längsrichtung. Nach einer längeren Betriebsdauer kann das Heizen des Applikators durch Wandverluste, bedingt durch Oberflächenströme an der inneren Oberfläche des Applikators, induziert durch Mikrowellenstrahlung im Applikator, zu einer Abstimmungsveränderung (detuning) des resonanten Applikators führen. Zur Vermeidung dessen wird vorgeschlagen, die frequenzbestimmenden Teile des resonanten Applikators (Apertur und plunger) temperaturunabhängig, eventuell temperaturstabilisiert, zueinander zu positionieren, wobei der Applikator selbst beweglich gelagert ist, so daß die inneren Dimensionen des resonanten Applikators sich nicht während eines kontinuierlichen Betriebes ändern.
Ausführungs- und Anwendungsbeispiele, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung in ihrem Umfang aber nicht beschränkt ist, sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen experimentellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Kombination aus einer Vorheizeinrichtung und einer Fixiereinrichtung,
Fig. 2
eine erste Temperaturverteilung bei einer ersten Anwendung eines Aufbaues gemäß Fig. 1 und
Fig. 3
eine zweite Temperaturverteilung bei einer zweiten Anwendung eines Aufbaues gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen, experimentellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie weist eine Vorheizeinrichtung auf, die zwei Resonatoren 1 und 2 umfaßt und der ein vorzuerwärmendes Substrat auf einem Transportband 3 in Transportrichtung 4 zugeführt wird. Das Transportband 3 könnte das Substrat mit Vakuum oder elektrostatisch fixieren.
Die Resonatoren 1, 2 sind TE10N-Resonatoren, die quer zur Transportrichtung 4 ausgerichtet sind und in Transportrichtung hintereinander angeordnet sind, und zwar in einer Weise und in einem Maße zueinander querversetzt, daß die Maxima der Mikrowelle des ersten Resonators 1 genau auf Lücke zu den Maxima der Mikrowelle des nachfolgenden Resonators 2 positioniert sind. Die Temperatur, die mit den Resonatoren 1, 2 möglichst gleichmäßig über die Breite des Substrates dem Toner tragenden Substrat erteilt wird, kann in der experimentellen Anordnung der Fig. 1 beim Austritt aus den Resonatoren mit einem Linienpyrometer 5 gemessen werden. Ist die Vorrichtung in zufriedenstellender Weise ausgemessen und eingestellt, kann im Prinzip dieselbe Vorrichtung wie in Fig. 1, unter Fortlassung des Pyrometers 5, auch als Einbau in eine elektrophotographische Druckmaschine genommen werden.
Von den Resonatoren 1, 2 hin zu der Fixiereinrichtung wird das vorerwärmte Substrat mittels eines zweiten Transportbandes 6 transportiert. Mit diesem Transportband 6 kann das Substrat auch weiterhin temperiert werden.
Die Fixiereinrichtung umfaßt im wesentlichen eine im Querschnitt dargestellte Fixierwalze 7, die mittels einer innerlichen Wärmequelle 12, zum Beispiel einer Strahlungsquelle, erwärmt wird, und zwar auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Toners auf dem Substrat. Im Bereich dieser Fixiereinrichtung ist einmal schematisch ein Toner tragendes, bogenförmiges Substrat 9 angedeutet, das nach der Fixierung in Richtung des Pfeiles 10 einer Kühlung zugeführt wird.
Die Fixierwalze 7 wird aus einem schematisch angedeuteten Ölreservoir 11 mit einem Silikonöl als Trennmittel zur Vermeidung einer Anhaftung von Toner an der Fixierwalze 7 versorgt. Als Widerlager für die das Substrat 9 auch mit Druck beaufschlagende Fixierwalze 7 dient eine Gegendruckrolle 8.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der von den Resonatoren 1, 2 im Substrat erzeugten Temperatur, und zwar einmal in gestrichelter Linie, wenn nur der Resonator 2 eingeschaltet ist, einmal in durchgezogener Linie, wenn nur der Resonator 1 eingeschaltet ist, wobei dessen Maxima der stehenden Mikrowelle zu den Maxima der Mikrowelle des Resonators 2 genau auf Lücke bzw. um eine halbe Wellenlänge der in Fig. 2 (und Fig. 3) dargestellten Wellenlänge der stehenden Welle, die dem Energieeintrag entspricht und nur halb so groß ist wie die Wellenlänge der ursprünglich eingespeisten freien Mikrowelle, phasenverschoben angeordnet sind, und einmal in durchgezogener Linie als Umhüllende bei beiden eingeschalteten Resonatoren 1 + 2. Die Umhüllende ergibt im Substrat eine über die auf der Abszisse aufgetragene Breite des Substrates nahezu gleichmäßige Temperatur von etwa 75 °C ± 3°C. Die Temperaturen wurden mit dem Linienpyrometer 5 gemäß Fig. 1 gemessen. Dabei wurde als Substrat ein Papier mit einem spezifischen Flächengewicht von 220 g/m2, bei einer Substratvortriebsgeschwindigkeit von 50 cm / s, bei einer Mikrowellenleistung von 2 kW pro Resonator und bei einer Pixelgröße von 3,1 mm verwendet.
In Fig. 3 ist ein zweiter Temperaturverlauf entsprechend Fig. 2 aufgetragen, jedoch diesmal mit Mikrowellenmaxima, die einen etwas kleineren Abstand zueinander aufweisen als in der Darstellung der Fig.2, was, wie weiter oben erwähnt, mittels der gewählten Weite des Resonators eingestellt bzw. vorgegeben werden kann. Durch die kleineren Maximaabstände in Fig. 3 ist der Temperaturverlauf über die Substratbreite erkennbar noch gleichmäßiger als im Falle der Fig. 2.
Die Entlastung der Fixiereinrichtung mittels einer erfindungsgemäßen Vorerwärmung soll im Nachfolgenden noch einmal anhand von Tabellen verdeutlicht werden. Insbesondere ist den Tabellen entnehmbar, daß eine höhere Vorerwärmung des Papieres als Substrat eine Verkürzung der Zeitdauer des Fixiervorganges ergibt und daher eine Vergrößerung der Papiertransportgeschwindigkeit erlaubt, wodurch auch insgesamt ohne Probleme bei der Fixierung eine höhere Druckgeschwindigkeit mit einer Druckmaschine erzielt werden kann.
Dabei wird im Beispiel 1 der Tabelle 1 ein Papier mit einem spezifischen Flächengewicht von 80 g / m2 und im zweiten Beispiel in Tabelle 2 ein Papier mit einem spezifischen Flächengewicht von 300 g / m2 verwendet.
Beispiel 1
Papiergeschwindigkeit Fixierzeit Papiertemp. Fixierwalzentemperatur Toner/Papier Oberflächentemperatur Kommentar
30cm/s 60ms 27°C 160°C 110°C Keine Vorheizung
45cm/s 40ms 44°C 160°C 110°C 2x 1500kW
60cm/s 30ms 54°C 160°C 110°C 2x 2000kW
Beispiel 2
Papiergeschwindigkeit Fixierzeit Papiertemp. Fixierwalzentemperatur Toner/Papier Oberflächentemperatur Kommentar
30cm/s 60ms 27°C 160°C 112°C Keine Vorheizung
45cm/s 40ms 40°C 160°C 112°C 2x 1500kW
60cm/s 30ms 48°C 160°C 112°C 2x 2000kW

Claims (9)

  1. Verfahren zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, bei dem eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise umfassend eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze, verwendet wird, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glassübergangstemperatur zu erhitzen,
    dadurch gekennzeichnet, daß vor der Erhitzung des Toners durch die Fixiereinrichtung eine Vorerwärmung berührungslos durchgeführt wird, mit welcher der Toner zunächst auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerwärmung mittels einer Mikrowellenanwendung durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine resonante Mikrowellenanwendung durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat vor der Mikrowellenanwendung angefeuchtet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transportmittel zum Transport des Substrates von dem Ort der Vorerwärmung zum Ort der Fixierung des Toners auf eine konstante Temperatur von vorzugsweise etwa 40°C temperiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abwärme und / oder Energieabfälle im weitesten Sinne für die Vorerwärmung genutzt werden.
  7. Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat, umfassend eine Fixiereinrichtung (Fuser), vorzugsweise mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine Vorheizeinrichtung zur berührungslosen Vorerwärmung des Toners auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glassübergangstemperatur.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinrichtung an wenigstens eine Mikrowellenquelle angeschlossenen ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizeinrichtung wenigstens einen Mikrowellenresonator umfaßt.
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