DE4042517C2 - Heizwalze für eine Tonerbild-Fixiervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fixiervor­ richtung für ein Aufzeichnungsgerät mit einem elektrofotogra­ fischen System, wie bei einem Drucker, einem Kopierer, einem Faksimilegerät oder dergleichen, und betrifft eine Heizwalze für eine Fi­ xiervorrichtung zum Fixieren eines Tonerbildes, das auf einer Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums ausgebildet wird, auf diesem Medium. Eine Heizwalze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus US 4,618,240 A bekannt.

Ein Fixiersystem gemäß dem Stand der Technik weist mindestens eine Heizwalze und eine Gegendruckwalze auf. In dieser Be­ schreibung wird verschiedentlich die Heizwalze mit HR und die Gegendruckwalze mit BR abgekürzt. Die Walzen HR und BR werden verschiedentlich als Fixierwalzenpaar bezeichnet. Im Fixier­ system wird HR beheizt, und HR und BR rotieren, wenn sie in Berührung miteinander stehen. Die Antriebswalze ist in diesem Fall eine der beiden Walzen HR und BR. Die beiden Walzen HR und BR bilden dann, wenn sie miteinander in Berührung stehen, eine Berührungsfläche. Die Berührungsfläche wird als Klemmzone bezeichnet. Aufzeichnungspapier mit einem noch nicht fixierten Tonerbild passiert die Klemmzone zwischen HR und BR. In diesem Fall wird der unfixierte Toner durch die Heizwalze HR so weit erhitzt, daß er schmilzt. Der geschmolzene Toner passiert die Klemmzone und verfestigt sich dann, wobei er am Aufzeichnungs­ papier anhaftet. Eine solche Funktionsfolge wird als Fixierung bezeichnet.

Bei einem Fixiersystem ist es allgemein von Vorteil, daß zu­ mindest nach dem Fixieren Toner ausreichend fest am Aufzeich­ nungspapier anhaftet, und selbst im Fall, daß ein Bild nach dem Fixieren gerieben oder gebogen wird, soll sich der Toner nie ablösen. In der vorliegenden Beschreibung wird diese Haft­ stärke als Fixierstärke bezeichnet.

Beim Fixiersystem gemäß dem Stand der Technik ist es jedoch dann, wenn sich das Fixierwalzenpaar mit hoher Drehzahl dreht, schwierig, eine ausreichende Fixierstärke nur mit Hilfe des Fixierwalzenpaars zu erzielen. In diesem Fall wird die Fixier­ stärke einfach dadurch erhöht, daß die Schmelzfähigkeit des Toners erhöht wird, ohne daß eine Verbesserung am Fixiersystem selbst vorgenommen wird. Das Erhöhen der Schmelzfähigkeit des Toners bedeutet jedoch, das Ausmaß einer Schutzfunktion zu verkürzen. Die Stabilität der Entwicklung verschlechtert sich gleichzeitig, ein Schleier tritt im Bild auf, und wo der Toner auftrifft, klumpt er in der Entwicklungsmaschine, wo­ durch die Druckfähigkeit verlorengeht. Darüber hinaus verteilt sich der Toner außerhalb der Entwicklungsmaschine und haftet an Förderteilen und anderen Teilen an, was fehlerhaften Druck auf dem Aufzeichnungspapier verursacht. Wo er auftrifft, nimmt der Reibungskoeffizient eines Fördermittels ab, was zu Un­ fähigkeit der Beförderung führt, wodurch ein Einfluß auf das gesamte System ausgeübt wird. Dementsprechend ist es erforder­ lich, eine ausreichende Fixierstärke unter Tonerbedingungen zu erzielen, unter denen derartige Nachteile nie verursacht werden. Zu diesem Zweck kann, wie in "Photographic Science and Engineering 27", 1983, S. 19-25 erwähnt, vorgesehen werden, daß ein Vorheizer direkt vor dem Fixierwalzenpaar in der Rich­ tung, in der das Aufzeichnungspapier befördert wird, angeord­ net wird, um das Aufzeichnungspapier und den unfixierten Toner zusätzlich von der Rückseite der Druckfläche des Aufzeich­ nungspapiers zu beheizen.

Es ist darüber hinaus am üblichsten, daß die Heizwalze HR trommelförmig ausgebildet ist, mit einem metallischen Hohl­ zylinder, der mit einem nichtviskosen wärmebeständigen Mate­ rial, wie einem Fluorharz oder einem Silikongummi, beschichtet ist, und daß sie eine Struktur aufweist, gemäß der ein Heiz­ element, wie eine Halogenlampe oder dergleichen, zentrisch im Zylinder angeordnet ist. In dieser Beschreibung wird die nichtviskose Beschichtung als Oberflächenschicht bezeichnet. Die Oberflächenschicht ist so ausgebildet, daß sie das Auftre­ ten eines Toner-Offset-Phänomens minimiert, gemäß dem Toner an der Heizwalzenoberfläche anhaftet, wenn der Toner die Klemm­ zone durchläuft. Das Heizelement arbeitet entsprechend einem Meßsignal eines Wärmesensors zum Ermitteln der Temperatur an oder in der Nähe der Oberfläche der Heizwalze.

Wie aus JP-A-57-100459 bekannt, ist Fluorharz ein schlechter Wärmeleiter, weswegen es wünschenswert ist, daß die Membrandicke des Fluoroharzes minimiert wird, um die Zeit zu verkürzen, die erforderlich ist, damit die Heizwalzenober­ fläche eine vorgegebene Temperatur erreicht, nachdem das Heiz­ element aktiviert ist. Es ist ratsam, daß die Membrandicke 20 µm oder kleiner ist, in bezug auf die Entfernung zwischen der Spitze eines Vorsprungs einer Rauhigkeit der inneren Mem­ branschicht des Fluoroharzes und der Oberfläche der Membran.

In JP-A 60-213974 ist erwähnt, daß die Wärmeleit­ fähigkeit eines wärmebeständigen Harzes der Oberflächenschicht unzufriedenstellend und es daher schwierig ist, Wärmeenergie vom Heizelement an die Heizwalzenoberfläche zu übertragen und die Wärmeansprechcharakteristik ist schlecht, wodurch der Wärme­ verlust verhältnismäßig groß ist. Wenn die Membrandicke der Oberflächenschicht 40 µm bis 50 µm beträgt, erreicht die Tem­ peraturdifferenz zwischen dem Heizelement und der Heizwalzen­ oberfläche 20°C bis 25°C. Wenn dann plötzlich viel Wärme von der Heizwalzenoberfläche durch ununterbrochenes Kopieren ab­ geführt wird, wird die Wärmezufuhr vom Heizelement zur Ober­ flächenschicht vorübergehend unzureichend, und dadurch fällt die Heizwalzenoberflächentemperatur, was fehlerhafte Fixierung verursacht. Wenn darüber hinaus viel Wärme von einem mittleren Teil der Heizwalzenoberfläche entzogen wird und dadurch die Oberflächentemperatur des mittleren Bereichs vorübergehend durch dauerndes Kopieren auf schmales Aufzeichnungspapier mit kleinen Abmessungen fällt, steigt die Temperatur des Heizele­ mentes entsprechend der Wirkung des Wärmesensors an, und die Wärmezufuhr zur Randoberfläche des Heizelementes wird erhöht, wodurch die Oberflächentemperatur an entgegengesetzten Enden der Heizwalze erheblich ansteigt. Dementsprechend überschrei­ tet die Oberflächentemperatur die Wärmebeständigkeitstempera­ tur der wärmebeständigen Harzschicht, wodurch deren Lebens­ dauer verkürzt wird, oder es tritt ein Toneroffsetphänomen an entgegengesetzten Enden des Papiers auf, wenn nach dauerndem Kopieren auf Papier mit kleinen Abmessungen plötzlich auf breites Papier mit großen Abmessungen kopiert wird.

Weiterhin kann die JP-A 56-159679 als Bezug auf ein Beispiel aus dem Stand der Technik herangezogen werden, bei dem die Dicke der Oberflächenschicht 30 µm oder darunter liegt. In diesem Fall wird Wärme von der Walzentrommel in der Klemmzone zugeführt und infolgedessen steigt die Temperatur der Oberflächen­ schicht.

Ein Gerät gemäß dem vorgenannten Stand der Technik, das einen Vorheizer nutzt und bei dem das Fixierwalzenpaar für das Fi­ xieren mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, hat das Pro­ blem, daß eine Konstruktion mit großen Abmessungen ziemlich unvermeidbar bei einem Fixiersystem mit einem Vorheizer ist. Da darüber hinaus der Vorheizer das Aufzeichnungspapier von der nicht bedruckten Fläche beheizen muß, kann ein solcher nicht eingesetzt werden, wenn im Fall eines Systems für zwei­ seitigen Hochgeschwindigkeitsdruck keine unbedruckte Fläche vorhanden ist. Wenn aber das Fixiersystem im Fall eines Auf­ zeichnungssystems für Hochgeschwindigkeitsdruck nicht mit dem Vorheizer versehen ist, kann eine zufriedenstellende Fixier­ stärke nicht erreicht werden.

Wird die Ober­ flächenschicht aus einem Fluorharz in der Dicke verringert, ohne daß ein Vorheizer verwendet wird, so ist dies nicht so proble­ matisch, wenn die Anzahl zu bedruckender Blätter klein ist. Bei kontinuierlichem Druck nimmt jedoch die Wärmemenge, die von der Trommel in die untere Schicht der Oberflächenschicht fließt, zu, wenn die Oberflächenschicht in ihrer Dicke verringert wurde. Wenn also der Fixiervorgang kontinuierlich ausgeführt wird, fällt die Temperatur der Heizwalzentrommel plötzlich, die Oberflächentemperatur der HR fällt dementspre­ chend ebenfalls plötzlich, und nach all diesem ist ausreichen­ de Fixierstärke nicht erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizwalze für eine Tonerbild-Fixiervorrichtung anzugeben, die auch bei kon­ tinuierlichem Fixieren ohne Vorheizung eine ausreichende Fi­ xierstärke sicherstellt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 gekennzeichnet. Wird die darin angegebene Relation zwischen der Wandstärke der Trommel, der Wärmediffusionsrate des Trom­ melmaterials und der Dauer einer Trommelumdrehung in Verbin­ dung mit der angegebenen Dicke der die Trommeloberfläche be­ deckenden Fluorharzschicht eingehalten, so erreicht man, daß dem Aufzeichnungspapier während seiner Verweilzeit an der Heizwalze die zur Fixierung des Tonerbildes erforderliche Wärmemenge konstant zugeführt wird.

Bevorzugte Werte für Wandstärke, Durchmesser und Material der Trommel sind in Anspruch 2 angegeben.

Bei der aus der eingangs genannten US-Patentschrift 4,618,240 bekannten Heizwalze hat die auf der Trommeloberfläche vorhan­ dene Fluorharzschicht eine Dicke von 20 bis 80 µm. Die erfin­ dungsgemäß dünner ausgebildete Schicht bewirkt, daß sie die von der Trommel an die Oberflächenschicht gelie­ ferte Wärme während derjenigen Zeitspanne erhöht, in der das Papier die Klemmzone durchläuft. Infolgedessen nimmt die von der Oberflächenschicht in den Toner fließende Wärmemenge zu, wodurch die Fixierstärke verbessert wird. In diesem Fall kann obwohl die Trommeltemperatur fällt, die Wärmekapazität der Trommel dadurch erhöht werden, daß die Dicke der Trommel er­ höht wird. Temperaturschwankungen können minimiert werden, und daher kann auch selbst bei halbkontinuierlichem bis konti­ nuierlichem Fixieren bei kontinuierlichem Druck die Fixier­ stärke stabil aufrechterhalten werden.

Entsprechend der dünner ausgebildeten Oberflächenschicht der Heizwalze im Fixiersystem der Erfindung wird die Wärmemenge, die dem Toner zugeführt wird, erhöht, wodurch der thermische Ansprechwirkungsgrad erhöht wird. Wenn nur die Oberflächen­ schicht dünner ausgebildet wird, wirkt der Effekt so, daß er den Temperaturabfall der HR-Temperatur verstärkt, und das Zeitintervall für EIN/AUS-Funktion wird bei einer Regelung des Heizelements verkürzt. Dementsprechend wird ein Hochpräzi­ sions-Temperaturregler erforderlich. Wie jedoch oben beschrie­ ben, umfaßt diese Erfindung das Optimieren der Dicke der Trom­ mel, wodurch der Nachteil überdeckt wird, der unvermeidbar mit dem Verkleinern der Dicke der Oberflächenschicht verbunden ist, wodurch ein solcher Hochpräzisions-Temperaturregler nicht unbedingt erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Aufzeichnungsgerät für zweiseitiges Aufzeichnen, an dem eine erfindungsgemäße Fixier­ einrichtung angebracht ist;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Fixiereinrichtung;

Fig. 3 ist eine Dar­ stellung eines Modells, wie es zur Dickenberechnung verwendet wird;

Fig. 4 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Dicke der Oberflächenschicht und der Oberflächen­ temperatur einer Heizwalze in einer Klemmzone darstellt;

Fig. 5 ist eine Darstellung einer Beziehung zwischen der Dicke der Oberflächenschicht und dem Wärmefluß zum Toner;

Fig. 6 ist eine Darstellung einer Beziehung zwischen der Ober­ flächenschicht und dem Wärmefluß zur Schicht;

Fig. 7 ist eine Darstellung einer Beziehung zwischen der Heizwalzentemperatur und der Fixierstärke;

Fig. 8 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke der Oberflächenschicht und der Fixierstärke;

Fig. 9 bis 14 sind Darstellungen entsprechend Fig. 4 bis 6 jedoch für andere Beispiele;

Fig. 15 ist eine Darstellung eines Modells, wie es zur Berechnung genutzt wird;

Fig. 16 ist eine Darstel­ lung einer Beziehung zwischen der Wandstärke (im folgenden auch als Dicke bezeichnet) der Trommel und dem Temperaturabfall;

Fig. 17 ist eine Darstellung entspre­ chend der von Fig. 16, jedoch für ein anderes Beispiel;

Fig. 18 ist eine Darstellung von Toner am Ausgang einer Klemmzone und der Temperaturverteilung innerhalb des Aufzeichnungs­ papiers.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1-10 beschrieben. Fig. 1 ist ein Querschnitt, der den Druckprozeß in einem Gerät für zwei­ seitiges Aufzeichnen zeigt, an dem eine erfindungsgemäße Fixiervorrichtung angebracht ist. Ein Bezugszeichen 1 bezeich­ net ein Papierzuführmagazin, 2 Aufzeichnungspapier, 3 eine Entwicklerstation, 4 eine erste Seite des Aufzeichnungspa­ piers, 5 die Fixiervorrichtung, 6 eine Heizwalze, 7 eine Gegendruckwalze, 8 eine Trennklaue, 9 eine Umkehrwalze, 10 einen Entladepapierstapler, 11 einen Rückwegdurchgang, 12 einen Umkehrstapler, 13 einen Nebenflußdurchgang, 14 eine Ein­ mündung, 15 die zweite Seite des Aufzeichnungspapiers, 20 ein photosensitives Teil, 21 eine Entwicklungseinrichtung und 22 eine Übertragungspresse. Bei dieser Erfindung verwendet die Fixiervorrichtung 5 eine Heizwalzenfixierkonstruktion unter Benutzen der Heizwalze 6 und der Gegendruckwalze 7.

Das im Papierzuführmagazin 1 gespeicherte Aufzeichnungspapier 2 wird zur Entwicklerstation 3 befördert, die mindestens das photosensitive Teil 20, die Entwicklereinrichtung 21 und die Übertragungspresse 22 aufweist, in der ein noch nicht fixier­ tes Tonerbild auf der ersten Seite des Aufzeichnungspapiers 2 ausgebildet wird. Dann wird das Aufzeichnungspapier mit dem noch nicht fixierten Tonerbild der Fixiereinrichtung 5 zum Beheizen zugeführt, wodurch das Tonerbild auf der ersten Seite 4 fixiert wird und am Aufzeichnungspapier 2 anhaftet. Nach dem Fixieren auf der ersten Seite 4 erreicht das Aufzeichnungs­ papier 2 eine Weiche, die aus der Trennklaue 8 besteht, und es wird nach oben geleitet, wenn sie auf einen Modus für Druck auf die zweite Seite eingestellt ist, und wird dann zur Seite der Umkehrwalze 9 befördert. Die Trennklaue 8 ändert ihre Position vertikal, wodurch sie als Weiche fungiert. In der Darstellung ist die Position der Trennklaue 8 die niedrigere Lage, was anzeigt, daß Weichenfunktion zur Seite der Umkehr­ walze 9 ausgeübt wird. Wenn die Trennklaue 8 nach oben hin positioniert wird, wird die Weichenfunktion zur Richtung des Entladepapierstaplers 10 hin ausgeübt. Anschließend wird das Aufzeichnungspapier 2 durch die Umkehrwalze 9 zum Rückweg­ durchgang 11 geschickt. Das Aufzeichnungspapier 2 wird ein Mal im Umkehrstapler 12 gespeichert und dann in den Nebenfluß­ durchgang 13 entladen, bevor das nächste Aufzeichnungspapier 2 den Umkehrstapler 12 und die Einmündung 14 erreicht. Wenn das Aufzeichnungspapier 2 die Einmündung 14 passiert hat, gelangt es auf denselben Durchgang wie in dem Fall, als es das erste Mal aus dem Papierzuführmagazin 1 entladen wurde, und es er­ reicht dann die Entwicklerstation 3 erneut. In diesem Fall zeigt die bereits bedruckte erste Seite 4 nach oben. Dement­ sprechend wird in diesem Fall ein noch nicht fixiertes Toner­ bild auf der zweiten Seite 15 des Aufzeichnungspapiers 2 in der Entwicklerstation 3 hergestellt. Anschließend wird eine Fixierung an die zweite Seite 15 entsprechend dem Fall der Fixierung an die erste Seite 4 ausgeübt. Die Trennklaue 8 wechselt in diesem Fall in die obere Position, das Aufzeich­ nungspapier 2 weist eine bedruckte obere und eine bedruckte untere Seite auf, und es wird dann in den Entladepapierstapler 10 entladen. Das oben Stehende bezog sich auf grundsätzliche Funktion und Konstruktion des Geräts für zweiseitiges Auf­ zeichnen, mit besonderer Bezugnahme auf die Bewegung eines einzigen Aufzeichnungspapiers. Im praktischen Fall wird die Funktion kontinuierlich ausgeführt. Es wird, wenn ein Druck nur auf der ersten Seite erfolgt die Trennklaue 8 nach oben posi­ tioniert, wenn das Aufzeichnungspapier 2 die Trennklaue 8 das erste Mal erreicht, das direkt in den Entladepapierstapler 10 entladen wird.

Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Fixiervorrichtung gemäß die­ ser Erfindung. Ein Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Klemmzone, 24 eine Trommel, 25 eine Oberflächenschicht, 26 eine Silikon­ gummischicht, 27 Toner, 28 einen Trenner, 29 eine Reinigungs­ vorrichtung, 30 eine Heizlampe, die als Heizquelle dient, und 31 eine Druckkraft. Die Heizwalze 6 umfaßt die Trommel 24, die ein Hohlzylinder aus Aluminium ist, und die Oberflächen­ schicht 25 aus einem Fluoroharz ist auf deren Oberfläche aus­ gebildet und die Heizerlampe 30 (Halogenlampe) ist zentrisch darin angeordnet. Die Gegendruckwalze 7 umfaßt einen Alumi­ niumzylinder und die äußere Silikongummischicht 26. Die Heiz­ walze 6 und die Gegendruckwalze 7 stehen einander gegenüber, wobei zwischen beiden die Druckkraft 31 wirkt, und die Kon­ taktfläche ist durch die Silikongummischicht 26 gebildet, die elastisch deformiert wird. Die Kontaktfläche ist als Klemmzone 23 bezeichnet. Wenn das Aufzeichnungspapier 2, auf dem der un­ fixierte Toner 27 abgebildet ist, die Klemmzone 23 zwischen der beheizten Heizwalze 6 und der Gegendruckwalze 7 passiert, wird der Toner geschmolzen und haftet an das Aufzeichnungs­ papier 2 an. Dieser Prozeß wird Fixierung genannt. Der Tren­ ner 28 dient zum Trennen des an der Oberfläche der Heizwalze 6 in der Klemmzone 23 anhaftenden Aufzeichnungspapiers 2 von der Heizwalze 6. Bei dieser Ausführungsform wird ein kontaktloses Ablösesystem verwendet, das weiter unten im Detail erläutert wird. Der größte Teil des Toners 27 wird auf das Aufzeich­ nungspapier 2 in der Klemmzone aufgeschmolzen, jedoch ist auch Toner 27 vorhanden, der teilweise auf die Heizwalze 6 über­ tragen ist. Der auf die Heizwalze 6 übertragene Toner 27 wird auf das Aufzeichnungspapier 2 für die nächste Fixierung über­ tragen und ist daher dazu in der Lage, fehlerhaften Druck zu verursachen, und daher ist für diesen Zweck die Reinigungs­ vorrichtung 29 angeordnet. Die Reinigungsvorrichtung 29 arbei­ tete dann so, daß sie den auf die Heizwalze 27 übertragenen Toner abwischt. Eine detaillierte Beschreibung darüber wird weiter unten erfolgen.

Bei der Fixiervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel weisen sowohl die Heizwalze 6 wie auch die Gegendruckwalze 7 einen Durchmesser von 100 mm auf und die Zeit (Klemmzeit), die ein Punkt des Papiers benötigt, um die Klemmzone zu passieren, beträgt 14 ms.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, wird bei der Fixiervor­ richtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Toner 27 nur in dem zwischen der Heizwalze 6 und der Gegendruckwalze 7 gebildeten Klemmbereich 23 erhitzt. Um den gewünschten Zweck zu erzielen, ist es erforderlich, daß die Wärmemenge, die von der Heizwalze 6 in den Toner 27 fließt im richtigen Maße erhöht wird. So wurde ein Wärmeflußmechanismus in der Heizwalze 6 zum Fixierzeitpunkt erhalten. Zum Untersuchen wurde eine Nicht­ gleichgewichts-Temperaturverteilungsberechnung nach der Metho­ de der finiten Elemente ausgeführt. Fig. 3 ist eine Darstel­ lung, die ein Modell zeigt, wie es für die Berechnung benutzt wurde. Das Modell ist ein 4-Schichtdimensionsmodell, das aus der Aluminiumtrommel 24, der Teflon-Oberflächenschicht 25, dem Toner 27 und dem Aufzeichnungspapier 2 besteht. Der Einfachheit halber werden hier spezielle Angaben gemacht, je­ doch sind die hier gemachten Angaben solche, die durch die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmediffusionsrate gemäß Fig. 3 bestimmt sind. Dementsprechend geht es nicht darum, Angaben als wesentlich zu spezifizieren. Wenn z. B. Angaben die Wärme­ leitfähigkeit und die Wärmediffusionsrate betreffen, dann sind ähnliche Berechnungsergebnisse unabhängig von der Art der Angaben erzielbar.

Hier wird die Berechnung für Nichtgleichgewichts-Temperatur­ verteilung nach der Methode finiter Elemente beschrieben. Die folgende Gleichung für Wärmeleitung wurde nach der Methode finiter Elemente gelöst:

in der T eine Temperatur, t eine Zeit und x einen Ort abgeben. Bei der Methode finiter Elemente ist eine Lösung für die durch Ort und Zeit spezifizierte Temperatur erhaltbar. Konkret ge­ sprochen ist sie durch die Temperatur in einem Zeitschritt (Zeit) und einem Knoten (Position) angegeben. Ein Allzweck­ programm wird für die Berechnung verwendet.

Die bei dieser Spezifikation angezeigte Temperatur weist eine Lösung bei Berechnung entsprechend der Methode finiter Elemen­ te auf, die gerade hierfür verwendet wird. Ein Wärmefluß ist dann derjenige, für den ein Wert dadurch erhalten wird, daß die Differenz zwischen der Temperatur an der Übergangsfläche und der Temperatur des nächsten Knotens durch die Distanz zwischen den Knoten geteilt wird und mit einer Wärmeleit­ fähigkeit multipliziert wird. Wenn der Wärmefluß, der von der Oberflächenschicht, wie sie für die Beschreibung als Beispiel gegeben wurde, in den Toner fließt, sind Temperatur und Posi­ tion einer Übergangsfläche zwischen Oberflächenschicht und Toner durch T₁ bzw. x₁ gegeben und Temperatur und Position des Knotens, der der Übergangsfläche am nächsten liegt, sind durch T₂ bzw. x₂ gegeben. Darüber hinaus gilt mit einer Wärmeleit­ fähigkeit des Toners und einem Wärmefluß q, daß der Wärme­ fluß durch folgende Gleichung gegeben ist:

bei einer aktuellen Berechnung wurde der Wert 2 µm für x₁ - x₂ verwendet.

Fig. 4 stellt eine Beziehung zwischen der Dicke der Ober­ flächenschicht und der Oberflächentemperatur der Heizwalze (HR) in der Klemmzone zum Zeitpunkt der Fixierung dar, wobei die Werte durch die obige Berechnung erhalten werden. Der Parameter ist die Zeitspanne ab dem Zeitpunkt, zu dem das Blatt am Vorderende der Klemmzone geklemmt wurde. Dement­ sprechend zeigt 1 ms der Anfangszeitraum der Klemmzeitspanne, 4 ms und 7 ms mittlere Zeitpunkte und 14 ms der Schlußzeitraum an. Die angegebene HR-Temperatur ist eine eingestellte Tem­ peratur vor dem Fixieren. Der Grund, weswegen die HR-Tempera­ tur jedesmal niedriger ist als die eingestellte HR-Temperatur (190°C) ist der, daß Hitze bald vom Papier absorbiert wird, jedesmal, wenn dieses in der Klemmzone eingeklemmt wird. Darüber hinaus gilt, daß die Temperatur der HR-Oberfläche um so größer wird, je dünner die HR-Oberflächenschicht ist, da Wärme von der die innere Schicht bildenden Trommel an die Oberflächenschicht dort schneller übertragen wird, wo die Oberflächenschicht eine kleinere Dicke aufweist. Wie vorstehend be­ schrieben, nimmt die Oberflächentemperatur unabhängig von der Zeit zu, wenn die Oberflächenschicht dünn ist. Normaler­ weise steigt die Fixierstärke um 5-10%, wenn die eingestellte HR-Temperatur vor dem Fixieren um 10°C erhöht wird. Dementsprechend wird ein Erhöhen der Fixierstärke bei dünnerem Ausgestalten der Oberflächenschicht erwartet.

Im nächsten Schritt wird versucht, eine Entscheidung für opti­ male Dicke der Oberflächenschicht zu treffen, wobei der Wärme­ übertragungsmechanismus in Betracht gezogen wird. Fig. 5 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Dicke der Oberflächenschicht, wie sie durch die vorstehende Berechnung erhalten wurde, und einem Wärmefluß (Menge der eintreffenden Wärme pro Zeiteinheit und pro Einheitsfläche) zeigt, wie er von der Heizwalze HR in den Toner gelangt. Parameter und an­ dere Angaben sind dieselben wie im Fall von Fig. 4. Der Wärme­ fluß von der Oberflächenschicht zum Toner neigt bei dünner Oberflächenschicht zum Zunehmen, und bei 1 ms, was dem An­ fangszeitraum der Klemmzeitspanne entspricht, nimmt er bei oder unterhalb von 20 µm in der Dicke der Oberflächenschicht stark zu. Weiterhin gilt, daß dieser bei 4 ms und 7 ms was mittleren Zeitpunkten der Klemmzeitspanne entspricht, ebenfalls bei Dicken der Oberflächenschicht von oder unterhalb von 30 µm schnell ansteigt. Der Grund, weswegen der Wert des Wärme­ flusses mit fortschreitender Zeit insgesamt klein wird, ist der, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Toner und der Oberflächenschicht allmählich klein wird.

Es wurde ein Versuch unternommen, das Phänomen noch weiter zu klären. Fig. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Dicke der Oberflächenschicht, wie sie durch die oben genannte Berechnung erhalten wurde, und dem Wärmefluß von der Aluminiumtrommel zur Oberflächenschicht. Parameter und andere Angaben sind diesel­ ben wie im Fall von Fig. 4. Die Wärmemenge, die von der Alu­ miniumtrommel in die Oberflächenschicht fließt, ist groß, wenn die Oberflächenschicht dünn ist. Die Steigung ist besonders in der Anfangsperiode der Klemmzeitspanne (1 ms) sehr groß. Wäh­ rend dieser Zeitspanne ist die Situation im wesentlichen ein adiabatischer Zustand im Bereich 40-50 µm, in dem die Oberflächenschicht dick ist. Der Wärmefluß nimmt dann allmählich mit fortschreitender Zeit zu, jedoch ist der absolute Wert klein im Vergleich mit dem Bereich 10-30 µm, in dem die Oberflächenschicht dünn ist. Die Grenze zwischen den Bereichen, in denen die Oberflächenschicht dünn bzw. dick ist, ist der Punkt, an dem die Dicke der Oberflächenschicht etwa 40 µm ist, und mit den 40 µm als Grenze, ist die Änderung des Wärmeflusses in bezug auf die Dicke der Oberflächenschicht diskontinuierlich. Der Grund ist der, daß der Einfluß des Wärmeflusses auf fixierten Toner, der in der HR-Oberfläche er­ zeugt wird, leicht auf die Aluminiumtrommel während der Klemm­ zeitspanne in dem Bereich ausgeübt werden kann, in dem die Oberflächenschicht dünn ist, aber daß der Einfluß im Gegensatz dazu im dicken Bereich nur schwer ausgeübt werden kann, und daß die Grenze bei 40 µm in der Dicke der Oberflächenschicht liegt. Es kann auch anzeigen, daß Wärme von der Aluminium­ trommel während der Klemmzeitspanne in denjenigen Bereich zu stark zugeführt wird, der nicht mehr als 40 µm in der Dicke der Oberflächenschicht ausmacht, aber daß Wärme von der Alu­ miniumtrommel im Bereich, der dicker ist als dies, weniger zugeführt wird. Aus dem obigen Ergebnis kann verstanden wer­ den, weswegen die Menge an Wärme, die in den Toner fließt, unterhalb der bestimmten Dicken der Oberflächenschicht von Fig. 5 zunimmt (20 µm bei 1 ms und 30 µm bei 4 ms und 7 ms).

Eine große Verbesserung der Fixierstärke kann in dem Bereich erwartet werden, in dem Wärme von der Aluminiumtrommel stark (bei einer Dicke der Oberflächenschicht von etwa 40 µm oder darunter) während der Klemmzeitspanne anwächst. Dementspre­ chend kann die Dicke der Oberflächenschicht vorzugsweise in­ nerhalb dieses Bereichs zu liegen kommen (40 µm oder darun­ ter). Darüber hinaus liegt der Bereich, in dem der Wärmefluß von der Oberflächenschicht in den Toner groß ist (Dicke der Oberflächenschicht bei 30 µm oder darunter) vorzugsweise wäh­ rend der mittleren Periode der Klemmzeitspanne. Weiterhin gilt, daß der Bereich, in dem der Wärmefluß von der Oberflä­ chenschicht in den Toner groß ist (Dicke der Oberflächen­ schicht bei 20 µm oder darunter) vorzugsweise während der Anfangsperiode der Klemmzeitspanne liegt.

Um das Berechnungsergebnis zu bestätigen, wurde ein Test unter denselben Bedingungen ausgeführt wie die Berechnung.

Fig. 7 stellt eine Beziehung zwischen einer eingestellten Temperatur vor dem Fixieren (HR-Temperatur) unter den Bedin­ gungen 20 µm bzw. 40 µm der Dicke der Oberflächenschicht und der Fixierstärke dar. Die Fixierstärke ist durch eine Band­ abziehstärke gegeben. Es wurde ein Klebeband einmalig auf das fixierte Bild gebracht und dann abgezogen und die Bandabzieh­ stärke wurde durch das Verhältnis der Reflexionsdichten der Bilder vor und nach dem Abziehen bestimmt. Dementsprechend gilt, daß die Fixierstärke um so stärker ist, je höher der Wert ist. Mit der eingestellten Temperatur vor dem Fixieren (HR-Temperatur) als Parameter zeigt Fig. 8 eine Beziehung zwi­ schen der Dicke der Oberflächenschicht und der Fixierstärke. Je kleiner die Dicke der Oberflächenschicht ist, desto größer wird die Bandabziehstärke.

Die Dicke der Oberflächenschicht ist vorstehend konkret für ein Fluoroharz als Beispiel für ein Oberflächenschichtmaterial der Einfachheit halber angegeben. Berechnungsergebnisse ent­ sprechend denen der Fig. 4-6 für andere Oberflächenmateria­ lien mit anderer Wärmediffusionsrate werden in den Fig. 9-14 dargestellt. Die Fig. 9-11 beziehen sich auf einen Fall, in dem das Oberflächenschichtmaterial eine Wärmediffusionsrate von 6,41 × 10^-8 m²/s aufweist und die Trommel aus Aluminium besteht, und die Fig. 12-14 beziehen sich auf einen Fall, in dem das Oberflächenmaterial eine Wärmediffusionsrate von 2,85 × 10^-5 m²/s aufweist und die Trommel aus Aluminium be­ steht. Eine Schlußfolgerung, die im wesentlichen derjenigen zu den Fig. 4 und 6 ähnlich ist, kann auch aus diesen Berech­ nungsergebnissen erhalten werden. Wenn der Bereich, in dem eine Wärmemenge aus der Trommel kommt (40 µm oder darunter bei einem Fluoroharz) als l₁, die Wärmediffusionsrate eines Oberflächenschichtmaterials als a_s und die Klemmzeitspanne als t_n bezeichnet wird, führen diese Beispiele allgemein zu

Für die mittlere Periode der Klemmzeitspanne besteht, wenn der Bereich, in dem der Wärmefluß von der Oberflächenschicht in den Toner groß ist (30 µm oder darunter in Teflon), l₂ ist, eine Tendenz nach:

Weiterhin besteht in der Anfangsperiode der Klemmzeitspanne dann, wenn der Bereich, in dem der Wärmefluß von der Ober­ flächenschicht in den Toner groß ist (20 µm oder darunter in Teflon) l₃ ist, eine Tendenz gegen:

Wenn die Gleichungen (1) und (3) mit Hilfe der Wärmediffu­ sionsrate von Teflon berechnet werden, wie in Fig. 3 darge­ stellt, gilt:

Daraus läßt sich verstehen, daß diese gut mit den Berechnungs­ ergebnissen gemäß den Fig. 5 und 6 zusammenfallen. Dies kann eine Allgemeingültigkeit der Gleichungen (1) bis (3) belegen, jedoch wird ein ähnliches Ergebnis aus anderen Bedingungen er­ halten. Dementsprechend weist die Oberflächenschicht eine Dicke von vorzugsweise √ oder darunter auf. Sie ist vor­ zugsweise ¾√ und weiterhin ½√ oder kleiner.

Die Trommel erhält ihre Wärme von einer Heizlampe, speichert sie und gibt die Wärme als erforderliche Fixierenergie an die Oberflächenschicht ab. Sie arbeitet also als sekundäre Wärme­ quelle.

Die Heizwalze dieser Erfindung, die die vorstehend genannte Dicke der Oberflächenschicht aufweist, weist eine große Menge von Wärme auf, die von der Trommel während der Klemmzeitspanne herkommt. Wenn daher die Trommel als sekundäre Wärmequelle verwendet wird, muß die Temperaturstabilität in einer Über­ gangsfläche zwischen der Trommel und der Oberflächenschicht auf hohem Wert gehalten werden. Dies bedeutet, daß dann, wenn die Temperatur an der Übergangsfläche instabil ist, beim Fixieren eines Kopierpapierblattes, dann zweier und dann dreier kontinuierlich, das erste Blatt fixiert werden kann, jedoch die folgenden Blätter nicht fixiert oder nur in be­ grenzter Anzahl fixiert werden können, aber mehrere tausend oder mehrere zehntausend Blätter nicht mehr für halbandauern­ des Fixieren einsetzbar sind.

In einem nächsten Schritt wurde die Stabilität der Temperatur an der Übergangsfläche zwischen der Trommel und der Oberflä­ chenschicht in die Untersuchung einbezogen. Die Berechnung zur Nichtgleichgewichts-Temperaturverteilung entsprechend der Methode finiter Elemente wurde entsprechend angewandt. Fig. 15 zeigt ein Modell, wie es für die Berechnung benutzt wurde. Das Modell ist ein zweidimensionales Modell mit einer Aluminium­ trommel 24 und einer Oberflächenschicht 25 aus Teflon, in Ringform-. Um Umdrehungen der Heizwalze anzuzeigen, wurden von der Heizwalze nach außen fließende Wärmeflüsse aufeinanderfol­ gend erzeugt. Dies entspricht der Wärmemenge, die zum Fixieren erforderlich ist. Bei der Berechnung wird der Bereich 210 mm, oder Papier vom A4-Format in Querrichtung. Ein Wärmeeigen­ schaftswert, der hierfür verwendet wurde, ist derselbe wie der in Fig. 3 dargestellte Wert. Wie im Fall von Fig. 3, sind bestimmte Bedingungen und Gegenstände in der obigen Beschrei­ bung der Einfachheit halber besonders benannt, jedoch sind die Bedingungen oder Gegenstände entsprechend der Wärmeleit­ fähigkeit und der Wärmediffusionsrate bestimmt, so daß es also nicht auf in bestimmter Weise benannte Gegenstände oder Bedingungen ankommt.

Fig. 16 stellt die Differenz (Temperaturabfall) zwischen der Temperatur an der Übergangsfläche zwischen der Aluminium­ trommel und der Oberflächenschicht nach dem Fixieren einer Seite und unmittelbar vor dem Fixieren einer zweiten Seite und einer anfänglich eingestellten Temperatur an einer Umfangs­ position dar, entsprechend dem Wärmefluß, wie er zum Zeitpunkt 0 erzeugt wird. Hier wird die Zeitspanne, die ab dem Ende des Fixierens einer ersten Seite und zwischen dem unmittelbaren Beginn des Fixierens einer zweiten Seite an einer Umfangsposi­ tion vergeht, die dem Wärmefluß entspricht, wie er zum Zeit­ punkt 0 erzeugt wird, als Fixierperiode bezeichnet. Darüber hinaus kann, in Übereinstimmung mit dem Phänomen, die Fixier­ periode sich auf die Zeitspanne beziehen, die erforderlich ist, daß diejenige Position auf der Heizwalze auf das nächste Aufzeichnungspapier trifft, an der das Vorderende des Auf­ zeichnungspapiers in Kontakt mit ihr kommt. Wenn dementspre­ chend die Umfangslänge einer Heizwalze kürzer ist als die Länge eines Formats in dessen Transportrichtung, entspricht die Fixierperiode der Umdrehungsperiode der Heizwalze. Da­ gegen, das heißt selbst dann, wenn die Umfangslänge der Heiz­ walze länger ist als die Formatlänge, entspricht ein Minimal­ wert der Fixierperiode der Umdrehungsperiode, und dadurch ist diese Erfindung durch die Umdrehungsperiode spezifiziert. Bei der Berechnung entspricht eine Periode zugeführten Papiers der Zeitspanne, innerhalb der die Heizwalze eine Umdrehung ausübt, das heißt der Umdrehungsperiode. Je dicker die Alu­ miniumtrommel ist, desto geringer wird der Temperaturabfall, wodurch die Stabilität zunimmt. Der Temperaturabfall wird bei einer Trommeldicke von 6 mm beinahe konstant. Der Grund ist, daß der Einfluß von Wärmefluß, wie er auf der Oberfläche der Heizwalze zum Fixieren erzeugt wird, sich bis zu 6 mm nach innen in die Aluminiumtrommel in einer Umdrehungsperiode aus­ wirkt. Dementsprechend wird der Temperaturabfall bei einer Trommeldicke von 6 mm oder darüber beinahe konstant. Als Er­ gebnis ergibt sich, daß die Aluminiumtrommel vorzugsweise eine Dicke von 6 mm oder höher aufweisen soll. Unter der Bedingung, daß die Temperatur um etwa 0,8°C pro Seite fällt, gilt, daß dann, wenn die Einstellbreite gegen Temperaturschwankungen während kontinuierlichen Zuführens auf z. B. 10°C geschätzt wird, ein Format über bis zu etwa 12 Seiten gedruckt werden kann, ohne daß die Heizlampe 30 eingeschaltet werden muß. Dies heißt, Wärme wird der Trommel oder der sekundären Heizquelle von der Heizlampe 30 zugeführt, während 12 Seiten gedruckt werden. In diesem Fall ist jedoch problematisch, wie schnell die Wärme zum Punkt mit 6 mm Dicke geführt werden kann. Wenn die Trommeldicke darüber hinaus erhöht wird, tritt eine Zeit­ spanne auf, die erforderlich ist, um Wärme von der Heizlampe 30 zum vorgenannten 6-mm-Punkt innerhalb der Aluminiumtrommel zu übertragen. Das heißt, die Aluminiumtrommel arbeitet als thermischer Widerstand beim Übertragen von Wärme von der Heiz­ lampe 30 zum 6-mm-Punkt. Wenn die Trommel zu dick ist, ist eine so lange Zeitspanne zum Erhöhen der Oberflächentemperatur der Heizwalze auf einen gewünschten Wert ab dem Einschalten der Heizlampe 30 erforderlich, daß eine Umdrehungsperiode überschritten wird. Dementsprechend ist eine Verzögerung in der Antwort in der Temperatureinstellung der Heizwalze unver­ meidlich, wodurch die Heizwalzentemperatur um einen gewünsch­ ten Wert schwingen kann. Wenn die Dicke der Aluminiumtrommel 6 mm ist, dann wird die Zeitspanne 0 sein. Dementsprechend soll die Dicke der Aluminiumtrommel vorzugsweise 6 mm sein.

Obige Beschreibung wurde mit einem besonderen Gegenstand (Alu­ minium) und mit dafür beispielsweise geltenden Bedingungen gegeben, jedoch gilt allgemeiner, daß dann, wenn die Wärme­ diffusionsrate des Trommelmaterials a_i und die Umdrehungs­ periode t_p ist, die Wandstärke L Trommel, für die der Einfluß des Wärmeflusses aufgrund der Fixierung eine Umdrehungsperiode überschreitet, den folgenden Wert hat:

Durch Berechnen der Gleichung (4) unter Einsetzen der Alu­ minium-Wärmediffusionsrate gemäß Fig. 3 ergibt sich:

L = (8.15 × 10^-5 × 10^-6 × 0.46)^1/2 = 6.12 (mm),

was gut mit dem Berechnungsergebnis von Fig. 16 übereinstimmt. Das Beispiel ist so gewählt, daß es Allgemeingültigkeit von Gleichung (4) anzeigt, jedoch sind ähnliche Effekte für andere Gegenstände und Werte erzielbar. Fig. 17 ist eine Ansicht, die der von Fig. 16 entspricht, die durch entsprechendes Berechnen für SUS (Wärmediffusionsrate 4,44 × 10^-6 m²/s) als Material für die Trommel erhalten ist. Dementsprechend ist es er­ wünscht, daß die Trommel-Wandstärke bei √oder darüber, vor­ zugsweise aber bei √ liegt.

Die Beziehung zwischen der Dicke der Aluminiumtrommel und der vorgenannten Verzögerung in der Temperaturantwort wird nun untersucht. Ein Problem, das aus einer solchen Antwortsverzö­ gerung resultiert, ist in gewissem Umfang dadurch vermeidbar, daß ein unterer festgelegter Wert für die zulässige Heizwal­ zentemperatur etwas höher und ein oberer festgelegter Wert etwas tiefer gewählt wird. Zum Beispiel ist bei einer Ein­ stellbreite gegen Temperaturschwankungen von 0 und einer tat­ sächlichen Temperaturschwankung von 10°C eine Antwortsver­ zögerung von 12 Seiten Aufzeichnungspapier in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel zulässig. Aus Gleichung (4) folgt für diesen Fall:

L = (8.15 × 10^-5 × 10⁶ × 0.46 × 12)^1/2 - 21.2 (mm)

Wenn die Temperatureinstellbreite Null ist, dann tritt das Problem aufgrund der Antwortsverzögerung bis zu 21,2 mm Dicke der Trommel nicht auf.

Claims (2)

1. Heizwalze für eine Tonerbild-Fixiervorrichtung, umfas­ send eine hohlzylindrische Trommel (24), eine darin angeord­ nete Heizeinrichtung (30) und eine die Trommeloberfläche bedeckende Fluorharzschicht (25) einer Dicke von 20 µm oder weniger, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke L der Trommel (24) in Abhängigkeit von der Wärmediffusionsrate a_i des Trom­ melmaterials und der Dauer t_p einer Trommelumdrehung nach folgender Relation bestimmt ist

2. Heizwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (24) aus Aluminium besteht, einen Durchmesser von 100 mm und eine Wandstärke L von mindestens 6 mm aufweist.