EP1369751B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Substrat - Google Patents
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- EP1369751B1 EP1369751B1 EP03004610A EP03004610A EP1369751B1 EP 1369751 B1 EP1369751 B1 EP 1369751B1 EP 03004610 A EP03004610 A EP 03004610A EP 03004610 A EP03004610 A EP 03004610A EP 1369751 B1 EP1369751 B1 EP 1369751B1
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- 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 recording material, wherein a fuser comprising a heatable fuser roller contacting the toner is used to heat the toner to a temperature greater than or equal to its glass transition temperature, and wherein before heating the toner by the fixing device, a preheating is performed, with which the toner is first heated to a temperature less than or equal to its glass transition temperature.
- the invention further relates to a device for fixing toner on a recording material, comprising a fuser, with a heatable fuser roller contacting the toner to heat the toner to a temperature greater than or equal to its glass transition temperature, comprising a preheater Non-contact preheating of the toner to a temperature less than or equal to its glass transition temperature, preferably for carrying out the aforementioned method.
- an electrostatic latent image with charged toner particles is developed on a imaging drum and transferred to a substrate such as, in particular, paper in the form of sheets or in the form of a continuous belt.
- a substrate such as, in particular, paper in the form of sheets or in the form of a continuous belt.
- four latent images in the four color separations cyan, magenta, yellow and black are transferred successively and one above the other onto 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 fuser roll, which is rolled on the toner image and the toner heated to above its glass transition temperature, ie melts, and at the same time incorporates pressurized in the substrate to which it is fixed after cooling.
- adjacent toner particles combine and ultimately form a polymer layer on and on the substrate.
- a problem can occur in the described procedure, if a larger number of printing operations in a certain time unit to be performed, the process is thus to be accelerated. In that case, the fixing process can prove to be the speed-limiting factor of the printing process because it can not be linearly accelerated.
- the fixing operation may be considered to increase the temperature of the fixing roller and / or to increase the fixing area between the fixing roller and a counter-pressure roller in the substrate transporting direction.
- the fixing area is to be increased, this can in principle be done in two ways, by increasing the pressure between the fixing roller and the counter-pressure roller, thereby producing a larger flattened area, or by using a fixing roller with a larger diameter.
- a larger pressure in turn, the life of the fixing roller, in particular its coating, can be reduced, and it can lead to damage, especially to crumpling, of the substrate.
- the diameter of the fuser roller is increased, it can easily lead to substrate jams. In addition, the construction costs and the size are problematic.
- the PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 004, no. 160 & JP-A-55/108677 disclose a fixing device with a xenon flash lamp, which is preceded by an unspecified microwave heating device for preheating.
- the U.S. Patent 4,897,691 relates to a drying and fixing device for express liquid toner.
- the invention is based on the object, in particular for an increase in speed, to improve the fixing device in a method or a device of the aforementioned type with respect to a uniform preheating.
- This object is achieved according to the invention in process view, that the preheating of the toner is carried out without contact by means of a resonant microwave application, wherein a plurality of microwave resonators with horizontally extending microwaves in the transport direction of the recording material behind each other and each offset by a fraction of a microwave length are arranged transversely to each other.
- Preheating means that the toner is heated to within the range of its glass transition temperature, but this temperature is not exceeded in order to avoid melting of the toner.
- fixing involves heating the toner above its glass transition temperature.
- a toner is used with a sharp as possible defined glass transition temperature, so that therefore a preheating and fixing with their temperature ranges can be close together.
- the fixing process is particularly time-relieved and also with regard to the risk of recording material jams, without the problems of the fixing area being pre-displaced into the preheating area.
- the non-contact preheating is of particular advantage.
- a temperature clearly below the glass transition temperature can be set precisely and constantly, and the recording material can possibly even be transported "floating", for example on an air cushion.
- the preheating is carried out according to the invention by a microwave application, with the advantage of the substrate and indirectly via the recording material, but partly also directly the toner is heated.
- the method according to the invention can be applied to sheets of recording material or (continuously) to recording material tapes.
- the actual fixing step is the fixation with a fixing roller.
- other print quality parameters such as toner gloss, can be considered.
- the method according to the invention provides that resonant or standing microwaves are used. This can be done by the selection and / or tuning of the resonators very targeted and needs-based and, in particular, various print quality features will be taken into account, as will be explained below.
- the recording material can be moistened before the microwave application. This can be done, for example, with 100 ° C hot steam.
- the recording material may preferably be moistened on both sides to avoid tensions and bends of the recording material.
- condensation heat the toner-carrying substrate is also already heated.
- a means of transport for. B. a suction belt or an electrostatic conveyor belt, is heated to transport the recording material from the place of preheating to the place of fixing the toner to a constant temperature of preferably about 40 ° C.
- waste heat or energy waste in the broadest sense can be used or co-used for preheating.
- waste heat or energy waste from a magnetron, a circulator, or a water load can be used.
- scavenging air can be heated.
- Distances bridging or avoiding waveguides towards the applicator may be used on a magnetron.
- Against leakage radiation in the region of the applicator can be provided on material columns, a so-called choke structure with lip-like projections.
- absorbent material may be used on the outside of the applicator.
- the device according to the invention comprises a microwave source to which the preheating device is connected for preheating by microwave application.
- the preheating device comprises a plurality of microwave resonators for generating standing microwaves.
- a basic design of a device according to the invention can be designed, for example, on a combination of a preheater and a fixing device in which at least one transport means transports the recording material into the preheater and transports it from the preheater to the fixing device, followed by a cooling path for the recording material carrying toner to achieve a cooling of the toner back below its glass transition temperature.
- the device may be easily opened, for example clamp-like, to access the recording material path in the event of a jam of material for eliminating this jam.
- a contacting or non-contacting plunger is usually used to tune the microwave applicator.
- a plunger or a tuner is not necessary.
- the plunger may be replaced with a defined end wall and the tuner may be replaced by fixed metal stubs and / or blocks of polytetrafluoroethylene in a waveguide to adjust the length of the waveguide between the microwave source and the aperture.
- the aperture which defines the resonant chamber can have any desired shape, in particular a rectangular or spherical or curved shape.
- the wavelength in the resonator when using a TE10N resonator, the wavelength in the resonator, that is the distance of the maxima, can be optimized by the width of the resonator perpendicular to the plane of the substrate.
- the width of the resonator perpendicular to the plane of the substrate.
- the distance between the maxima is 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.
- a width of, for example, 109 mm the distance of the maxima is only 73 mm, which leads to a tolerance of 4 ° C ( ⁇ 2 ° C, corresponding to ⁇ 3%).
- the height of a resonator in the recording material transport direction is optimized to achieve a 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 higher electric field strength. Higher electric field strength increases the efficiency of the microwave system for lower loss recording materials, such as paper.
- the frequency adaptation of a resonant applicator is dependent on the size in the longitudinal direction. After a longer period of operation, heating the applicator by wall loss due to surface currents on the inner surface of the applicator induced by microwave radiation in the applicator can result in detuning of the resonant applicator.
- the frequency-determining parts of the resonant applicator independent of temperature, possibly temperature-stabilized, to position each other, wherein the applicator itself is movably mounted so that the inner dimensions of the resonant applicator do not change during a continuous operation.
- Fig. 1 shows a basic, experimental structure of a device according to the invention. It comprises a preheating device which comprises two resonators 1 and 2 and to which a recording material to be preheated is fed on a conveyor belt 3 in the transporting direction 4.
- the conveyor belt 3 could fix the recording material with vacuum or electrostatically.
- the resonators 1, 2 are TE10N resonators, which are aligned transversely to the transport direction 4 and are arranged one behind the other in the transport direction, transversely offset in a manner and to a degree that the maxima of the microwave of the first resonator 1 exactly to the gap Maxima of the microwave of the subsequent resonator 2 are positioned.
- the temperature given with the resonators 1, 2 as uniformly as possible across the width of the recording material to the toner-carrying recording material can be measured in the experimental arrangement of Fig. 1 at the exit from the resonators with a line pyrometer. If the device has been satisfactorily measured and adjusted, in principle the same device as in Fig. 1, omitting the pyrometer 5, can also be used as an installation in an electrophotographic printing machine.
- the preheated recording material is transported by means of a second conveyor belt 6. With this conveyor belt 6, the recording material can continue to be tempered.
- the fixing means comprises substantially a fixing roller 7 shown in cross-section, which is heated by means of an internal heat source 12, for example a radiation source, to a temperature above the glass transition temperature of the toner on the recording material.
- an internal heat source 12 for example a radiation source
- a toner-carrying, sheet-shaped recording material 9 is once schematically indicated, which is supplied after fixing in the direction of the arrow 10 to a cooling.
- the fixing roller 7 is supplied from a schematically indicated oil reservoir 11 with a silicone oil as a release agent for preventing adhesion of toner to the fixing roller 7.
- a silicone oil as a release agent for preventing adhesion of toner to the fixing roller 7.
- As an abutment for the recording material 9 also pressurizing fixing roller 7 is a counter-pressure roller. 8
- Fig. 2 shows the course of the temperature generated by the resonators 1, 2 in the recording material, once in a dashed line, when only the resonator 2 is turned on, once in a solid line, when only the resonator 1 is turned 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 wave shown in Fig. 2 (and Fig. 3) of the standing wave, which corresponds to the energy input and only half as large as the wavelength of originally enveloped free microwave, out of phase, and once in a solid line envelope for both resonators 1 + 2 turned on.
- the envelope in the recording material gives a nearly uniform temperature of about 75 ° C ⁇ 3 ° over the abscissa-plotted width of the recording material C.
- the temperatures were measured with the line pyrometer 5 of FIG.
- a recording material a paper having a specific basis weight of 220 g / m 2 , a recording material driving speed of 50 cm / sec, a microwave power of 2 kW per resonator and a pixel size of 3.1 mm was used.
- a second temperature profile corresponding to FIG. 2 is applied, but this time with microwave maxima, which have a slightly smaller distance from each other than in the illustration of Figure 2, which, as mentioned above, adjusted by means of the selected width of the resonator or can be specified. Due to the smaller maximum spacings in FIG. 3, the temperature profile over the recording material width can be seen to be even more uniform than in the case of FIG. 2.
- the relief of the fixing device by means of a preheating according to the invention will be clarified in the following again by means of tables.
- the tables can be seen that a higher preheating of the paper as a recording material results in a shortening of the duration of the fixing process and therefore allows an increase in the paper transport speed, whereby a total of no problems in fixing a higher printing speed can be achieved with a printing press.
- Example 1 of Table 1 a paper having a specific basis weight of 80 g / m 2 and in the second example in Table 2 a paper having a specific basis weight of 300 g / m 2 is used.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fixieren von Toner auf einem Aufzeichnungsmaterial, bei dem eine Fixiereinrichtung (Fuser), umfassend eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze, verwendet wird, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, und bei dem vor der Erhitzung des Toners durch die Fixiereinrichtung eine Vorerwärmung durchgeführt wird, mit welcher der Toner zunächst auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur erwärmt wird.
- Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Aufzeichnungsmaterial, umfassend eine Fixiereinrichtung (Fuser), mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, umfassend eine Vorheizeinrichtung zur berührungslosen Vorerwärmung des Toners auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur, 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.
- Aus der
GB-A-1 376 957 - Die PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 004, no. 160&
JP-A-55/108677 - Die
US-A-4 897 691 betrifft eine Trocknungs- und Fixiereinrichtung für ausdrücklich Flüssigtoner. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für eine Geschwindigkeitserhöhung, die Fixiereinrichtung bei einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung hinsichtlich einer gleichmäßigen Vorerwärmung zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verfahrenshinsicht dadurch gelöst, dass die Vorerwärmung des Toners mittels einer resonanten Mikrowellenanwendung berührungslos durchgeführt wird, wobei mehrere Mikrowellenresonatoren mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Transportrichtung des Aufzeichnungsmaterials hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt zueinander angeordnet sind.
- "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 Aufzeichnungsmaterialstaus, 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 Aufzeichnungsmaterial zu dessen Erwärmung aufgedrückt werden kann, ist im Prinzip, zum Beispiel auch 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 Aufzeichnungsmaterials 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 Aufzeichnungsmaterials 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 Aufzeichnungsmaterial kann gegebenenfalls sogar "schwebend", beispielsweise auf einem Luftpolster, transportiert werden. Die Vorerwärmung erfolgt erfindungsgemäß durch eine Mikrowellenanwendung, mit der mit Vorteil das Substrat und mittelbar über das Aufzeichnungsmaterial, zum Teil aber auch unmittelbar der Toner erwärmt wird. - Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auf Aufzeichnungsmaterialbögen oder (kontinuierlich) auf Aufzeichnungsmaterialbänder angewendet werden. Als eigentlicher Fixierschritt erfolgt die Fixierung mit einer Fixierwalze. Dabei können auch weitere Druckqualitätsparameter, wie zum Beispiel Tonerglanz, Berücksichtigung finden.
- Zudem 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 Aufzeichnungsmaterial vor der Mikrowellenbeaufschlagung angefeuchtet werden. Dies kann beispielsweise mit 100°C heißem Wasserdampf geschehen. Dabei kann das Aufzeichnungsmaterial vorzugsweise beidseitig angefeuchtet werden, um Spannungen und Biegungen des Aufzeichnungsmaterials 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 Aufzeichnungsmaterial 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 erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem Aufzeichnungsmaterial gemäß Anspruch 5 wird selbständiger Schutz beansprucht. Die sich dadurch ergebenden Vorteile sind sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschildert worden.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Mikrowellenquelle, an welche die Vorheizeinrichtung für eine Vorwärmung durch Mikrowellenanwendung angeschlossen ist. Dabei umfasst die Vorheizeinrichtung mehrere Mikrowellenresonatoren zur Erzeugung stehender Mikrowellen. Es werden mehrere Resonatoren mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Substrattransportrichtung hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt zueinander angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung über die Breite des Aufzeichnungsmaterials zu erzielen.
- Eine prinzipielle Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise auf eine Kombination einer Vorheizeinrichtung und eine Fixiereinrichtung konzipiert sein, bei der wenigstens ein Transportmittel das Aufzeichnungsmaterial in die Vorheizeinrichtung transportiert und von der Vorheizeinrichtung in die Fixiereinrichtung transportiert , wonach eine Abkühlungsstrecke für das Toner tragende Aufzeichnungsmaterial folgt, um eine Abkühlung des Toners wieder unter seine Glasübergangstemperatur zu erreichen.
- Die Vorrichtung kann leicht zu öffnen, beispielsweise klammerartig, ausgebildet sein, um im Falle eines Aufzeichnungsmaterialstaus den Aufzeichnungsmaterialweg 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 Aufzeichnungsmaterial-Transportrichtung 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 Aufzeichnungsmaterialien 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 Aufzeichnungsmaterial auf einem Transportband 3 in Transportrichtung 4 zugeführt wird. Das Transportband 3 könnte das Aufzeichnungsmaterial 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 Aufzeichnungsmaterials dem Toner tragenden Aufzeichnungsmaterial 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 Aufzeichnungsmaterial mittels eines zweiten Transportbandes 6 transportiert. Mit diesem Transportband 6 kann das Aufzeichnungsmaterial 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 Aufzeichnungsmaterial. Im Bereich dieser Fixiereinrichtung ist einmal schematisch ein Toner tragendes, bogenförmiges Aufzeichnungsmaterial 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 Aufzeichnungsmaterial 9 auch mit Druck beaufschlagende Fixierwalze 7 dient eine Gegendruckrolle 8.
- Fig. 2 zeigt den Verlauf der von den Resonatoren 1, 2 im Aufzeichnungsmaterial 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 Aufzeichnungsmaterial eine über die auf der Abszisse aufgetragene Breite des Aufzeichnungsmaterials nahezu gleichmäßige Temperatur von etwa 75 °C ± 3°C. Die Temperaturen wurden mit dem Linienpyrometer 5 gemäß Fig. 1 gemessen. Dabei wurde als Aufzeichnungsmaterial ein Papier mit einem spezifischen Flächengewicht von 220 g/m2, bei einer Aufzeichnungsmaterial-Vortriebsgeschwindigkeit 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 Aufzeichnungsmaterialbreite 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 Aufzeichnungsmaterial 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 (Tabelle 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 (Tabelle 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 (5)
- Verfahren zum Fixieren von Toner auf einem bogenförmigen oder bandförmigen Substrat (9), bei dem eine Fixiereinrichtung (7, 8, 11, 12), umfassend eine den Toner kontaktierende, erwärmbare Fixierwalze (7), verwendet wird, um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, und bei dem vor der Erhitzung des Toners durch die Fixiereinrichtung (7, 8, 11, 12) eine Vorerwärmung durchgeführt wird, mit welcher der Toner zunächst auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorerwärmung des Toners mittels einer resonanten Mikrowellenanwendung berührungslos durchgeführt wird, wobei mehrere Mikrowellenresonatoren (1, 2) mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Transportrichtung (4, 10) des Substrats (9) hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt zueinander angeordnet sind. - Verfahren nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (9) vor der Mikrowellenanwendung angefeuchtet wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transportmittel (6) zum Transport des Substrats (9) von dem Ort der Vorerwärmung zum Ort der Fixierung des Toners auf eine konstante Temperatur von vorzugsweise etwa 40°C temperiert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abwärme und / oder Energieabfälle im weitesten Sinne für die Vorerwärmung genutzt werden.
- Vorrichtung zum Fixieren von Toner auf einem bogenförmigen oder bandförmigen Substrat (9), umfassend eine Fixiereinrichtung (7, 8, 11, 12), mit einer, den Toner kontaktierenden, erwärmbaren Fixierwalze (7), um den Toner auf eine Temperatur größer oder gleich seiner Glasübergangstemperatur zu erhitzen, umfassend eine Vorheizeinrichtung zur berührungslosen Vorerwärmung des Toners auf eine Temperatur kleiner oder gleich seiner Glasübergangstemperatur, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorheizeinrichtung an wenigstens eine Mikrowellenquelle angeschlossenen ist, die Mikrowellenresonatoren (1, 2) umfasst, mittels denen der Toner berührungslos erwärmbar ist, wobei mehrere Mikrowellenresonatoren (1 ,2) mit horizontal verlaufenden Mikrowellen in Substrattransportrichtung (4, 10) hintereinander und jeweils um einen Bruchteil einer Mikrowellenlänge querversetzt zueinander angeordnet sind.
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