DE4318721A1 - Thermische Befestigungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermische Befestigungsvorrichtung oder Fixiervorrichtung, welche bei einer Bilderstellungsvorrichtung für Elektrophotographie benutzt wird.

Thermische Befestigungsvorrichtungen der Preßart, Wärmerollerart, usw. werden allgemein benutzt bei elektrophotographischen Aufnahmevorrichtungen. Die Hauptart thermischer Befestigungsvorrichtung während der letzten 10 bis 20 Jahre ist ein Wärmerollertyp. Jedoch hat dieser Typ ein Problem insofern, als das die Zeit, welche zum Starten des Betriebs notwendig ist, das heißt die Temperaturanstiegszeit bis zur Befestigungszeit, lang ist und der Leistungsverbrauch hoch ist. Dieses Problem beeinflußt in negativer Weise die gesamte Funktionstüchtigkeit der elektrophotographischen Aufnahmevorrichtung.

Eine Befestigungsvorrichtung wie zum Beispiel ein SURF-Typ ist ein Beispiel, wobei das obige Problem drastisch verbessert wird. Diese Vorrichtung wurde angewendet durch Canon Co., Ltd. seit dem 02. Februar 1990. Bei dieser Befestigungsvorrichtung ist die Temperaturanstiegszeit in bemerkenswerter Weise auf etwa fünf Sekunden verkürzt, und der Leistungsverbrauch ist erfolgreich auf die Hälfte verkürzt. Jedoch hat dieser Typ von Vorrichtung Probleme in der Art, als das die Lebensdauer der Vorrichtung kurz ist und die Vorrichtung eine große Anzahl von Teilen hat.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Typ von Vorrichtung erfunden unter Benutzung eines Metallbandes, wobei die Probleme dieser SURF-Typ-Befestigungsvorrichtung drastisch gelöst werden und sie haben Patentanmeldungen (Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 4-166966, 4-362983 und 4-284481) für diese Erfindung eingereicht.

Das erste Merkmal der Befestigungsvorrichtung des Erfinders ist ein endloses Metallband. Das Resultat der Benutzung solch eines Bandes ist, daß die durch die Heizeinrichtung erzeugte Wärme effizient und schnell zum unbefestigten Toner auf dem Aufnahmepapier geleitet werden kann. Dies ermöglichte, daß die Temperatur der Heizeinrichtung signifikant erniedrigt wurde und daß die thermische Effizienz verbessert wurde. Dementsprechend ist der Leistungsverbrauch signifikant reduziert.

Die schnelle und effiziente thermische Leitung ermöglichte ein schnelles Kühlen des Toners nach dem Schmelzen des Toners und das Toneroffset-Phänomen konnte drastisch verbessert werden beim Trockenbefestigen unter Benützung einer Heiz- und Kühlvorrichtung monolithischer Struktur kleiner Art. Dies ist das zweite Merkmal der Befestigungsvorrichtung des Erfinders.

Das dritte Merkmal ist, daß ein PTC-Heizeinrichtungselement als die Heizeinrichtung benutzt werden konnte. Wie bekannt ist, ist das PCT-Heizeinrichtungselement begrenzt in seiner Heizfähigkeit wegen seiner eigenen geringen thermischen Leitfähigkeit und wurde tatsächlich noch nicht benutzt bei einer thermischen Befestigungsvorrichtung, welche einen großen Wärmewert erfordert.

Jedoch kombiniert die Befestigungsvorrichtung, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfinder erfunden wurde, niedrigen Leistungsverbrauch mit hoher thermischer Leitung und ermöglicht somit die Benutzung eines PTC-Heizelements mit niedriger Wärmekapazität. Somit kann bei der Befestigungsvorrichtung das PTC-Heizelement benutzt werden. Gemäß Test in einem Laboratorium kann eine Befestigungsgeschwindigkeit von 25 Blättern (A4/Minute) realisiert werden. Das PTC-Heizelement beinhaltet ein Thermometer und eine gesteuerte Quelle, aber beinhaltet nicht viele Teile, welche unvermeidbar für die herkömmliche thermische Befestigungsvorrichtung sind.

Das vierte Merkmal ist, daß die Anhaftungseigenschaft zwischen dem Metallband und einer Fluorharzschicht abgeschieden auf der Oberfläche des Metallbandes genügend stark ist. Einer der Gründe für die kurze Lebensdauer der SURF-Befestigungsvorrichtung leitet sich ab aus- der Tatsache, daß das Fluorharz, das abgeschieden ist, auf der Oberfläche des endlosen Bandes aus Polyimidharz, während des Gebrauchs entfernt wird.

Die Befestigungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hat viele andere überlegene Eigenschaften, wie zum Beispiel thermische Befestigungsumhüllungen ohne Knitterung.

Die oben erwähnte Befestigungsvorrichtung beseitigt Probleme zusammenhängend mit der Befestigungseigenschaft, wie zum Beispiel der Befestigungsstärke und der Gegenwart und Abwesenheit von Offset bezüglich monochromen Aufnehmens unter Benutzung beispielsweise eines schwarzen Toners. Eine Eliminierung dieser Probleme wird beim Trockenbefestigen gemacht, wobei Silikonöl nicht angewendet wird und das ist das Auswertungsresultat (Experimentierresultat für verschiedene schwarze Toner.

Ein erfolgreiches Beispiel solch einer Trockenbefestigung ist eine SURF-Typ-Befestigungsvorrichtung, welche auf die PC-1 und PC-2 verkauft von Canon Co. Ltd. seit Februar 1990 angebracht wird. Die SURF-Befestigungsvorrichtung ist das erste tatsächliche Produkt. Der bei dieser Vorrichtung angewendete schwarze Toner wurde für diese SURF-Typ-Befestigungsvorrichtung entwickelt, und der Toner wurde so entworfen, daß sogar bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Toners der Toner hinreichende Viskosität hat und während des Befestigens die Erzeugung von Offset verhindert wird.

Wenn ein Farbtonerbild trockenbefestigt wird unter Benutzung der Befestigungsvorrichtung, wie oben beschrieben, tritt das Problem des-Offset noch auf. Dieses Problem tritt aufgrund der Tatsache auf, daß die Anhaftungskraft zwischen dem Farbtoner und der nicht haftenden Abdeckungsschicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) usw. relativ groß ist und der dynamische Scherelastizitätsmodul des Toners niedrig ist, sogar bei Temperaturen nahe dem Tonerglasübergangspunkt, so daß ein Offset auftritt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der herkömmlichen Technik zu lösen und eine thermische Befestigungsvorrichtung zu schaffen, bei der ein Offset des Farbtoners signifikant reduziert ist, Trockenbefestigen ausgeführt werden kann, ein Leistungsverbrauch niedrig ist und eine Aufwärmzeit verkürzt ist.

Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe gelöst nach Anspruch 1 durch eine thermische Befestigungsvorrichtung, in dem ein Paar von Rollern rotiert, während sie miteinander in Preßkontakt sind, ein Heizabschnitt vorgesehen ist in zumindest einem der Roller und eine Bildhalterung mit unbefestigten Tonerbildern durch einen Zwischenraum zwischen den Rollern geleitet wird, so daß das unbefestigte Tonerbild thermisch geschmolzen befestigt wird. Der Roller, in dem der Heizabschnitt vorgesehen ist, hat eine Heiz- und Kühleinrichtung einheitlicher Struktur bestehend aus einem Kühler und einem Heizer agierend als Halterung. Ein dünnes endloses Metallband rotiert in Kontakt mit der Vorrichtung einheitlicher Struktur und einen nicht haftenden Film auf der äußeren Seitenoberfläche, welcher das Bild trägt. Ein Antriebsroller treibt das endlose Metallband zur Rotation an unter Anlegen von Spannung auf das endlose Metallband. Die Oberflächentemperatur an einem Abschnitt, wo das endlose Metallband in Preßkontakt mit der Bildhalterung ist, wird zunächst angehoben auf eine Temperatur (Tm) nahe dem Schmelzpunkt des Toners und dann so gekühlt, daß die Temperatur des Abschnitts, wo die Bildhalterung entfernt wird von dem endlosen Metallband, höher als die Glasübergangstemperatur des Toners und niedriger als der Erweichungspunkt ist.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist, daß, nachdem der auf die Bildhalterung übertragene Toner hinreichend hitzebefestigt ist, er gekühlt wird auf innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs und abgeschält wird von dem Metallband. Demzufolge ist die Anwendung von Silikonöl, welche erforderlich bei allen herkömmlichen Wärmeroll-Befestigungsvorrichtung, nicht nötig bei der vorliegenden Erfindung, und die Mängel von Toner-Offset ist bemerkenswert reduziert, sogar beim Trockenbefestigen. Das Auswerteverfahren für den Offset und die experimentellen Resultate davon werden im folgenden beschrieben werden.

Fig. 8 ist eine erklärende Ansicht des Nicht-Offset-Auswertungsverfahren nach der vor liegenden Erfindung. Eine Metallplatte 101 wird gleichförmig geheizt und ist abgedeckt mit einer nichthaftenden Filmschicht 100, wie zum Beispiel einer 10 Mikrometer dicken PTFE (Polytetrafluorethylen) Schicht. Eine Heizeinrichtung wird angezeigt durch das Bezugszeichen 102, und das Toner übertragene Aufnahmepapier (Bildhalterung) wird bezeichnet, durch das Bezugszeichen 103. Ein Gewicht wird angelegt an das Aufnahmepapier durch Setzen eines Wärme isolierenden Gewichts auf das Papier, beispielweise eines Metallblocks auf Silikongummi, so daß der Toner hinreichend wärmebefestigt wird. Das Bezugszeichen 104 bezeichnet ein Thermoelement.

Obwohl die Heizbedingung abhängt von der Wärmekapazität der gleichförmig geheizten Platte 101 und dem charakteristischen Wert des Toners, wurde in diesem Fall Heizen ausgeführt bei 140°, 30 Sekunden lang, und das Befestigungsverhältnis war 95° oder mehr, sogar bei dem Bandabschältest. Es wurde ebenfalls bestätigt, daß Überheizen keinen Einfluß auf die Resultate der Nicht-Offsetentwicklung hatte.

Wie in der Figur b gezeigt, wird das Gewicht (Metallblock 104) auf der Heizeinrichtung 102 entfernt und nach natürlichem Kühlen wird das Aufnahmepapier 103 abgeschält mit einer konstanten Geschwindigkeit (siehe Figur c). Die Temperatur des nichthaftenden Films ist definiert als Abschältemperatur und die Kraft, welche erforderlich ist zum Abschälen, ist definiert als Abschälstärke. Die Entwicklung wird ausgeführt bei einer Abschälgeschwindigkeit von etwa 40 mm pro Sekunde in diesem Fall. Somit können, da die erwünschte Geschwindigkeit der Preßvorrichtung eine Kopiergeschwindigkeit von nur 6 bis 7 Blättern (A4/Minute) ist, zufriedenstellende Resultate erhalten werden, sogar bei zwei- oder dreimal der gewünschten Geschwindigkeit. Bezüglich des während des thermischen Befestigens benutzten Gewichts wurde die Entwicklung ausgeführt unter Benutzung von 30 bis 300 g/cm². Nichts destro trotz variieren die Auswerteresultate nicht. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde ein typisches Gewicht von 100 g/cm² benutzt.

Fig. 3 zeigt experimentelle Resultate, wobei ein roter Toner (Magenta) mit dem größten Offset beim Farbtoner und ein schwarzer Toner mit dem geringsten Offset benutzt werden und wobei PTFE und Silikongummi ausgewählt sind als die nichthaftenden Filmmaterialien für die Entwicklungsobjekte.

Es wurde herausgefunden, daß bei einer Kombination des schwarzen Toners und PTFE (Kurve A in Fig. 3) die Abschälstärke bei einer Abschältemperatur von 800° oder weniger abgesenkt ist und gleichzeitig der Offset nicht vollständig auftritt. Andererseits wurde ebenfalls herausgefunden, daß bei einer Kombination des Magenta und PTFE (Kurve B in Fig. 3) die Abschälgeschwindigkeit sehr hoch ist, und falls die Abschältemperatur erniedrigt ist, die Abschälstärke linear reduziert ist. Die Kurve C in Fig. 3 zeigt eine Kombination von Magenta und Silikon. Fig. 4 zeigt Resultate, bei denen die Nicht-Offseteigenschaften für die Kombination des Magentas und des PTFE und die Kombination des Magentas und des Silikons entwickelt wurden. In diesem Fall ist der Offsetbetrag gezeigt durch Werte, die erhalten werden, wenn der Offsettoner, der auf dem nicht-aggressiven Film verbleibt, wieder befestigt wird an ein weißes Papier und der gemessene Wert (0,55) für die Reflektionskonzentration des weißen Papiers von dem gemessenen Wert für die Reflektionskonzentration subtrahiert wird. Wie aus den Resultaten der Kombination des Magenta und des PTFE (Kurve B) klar wird, nimmt der Offset schnell ab bei einer Abschältemperatur von 90° oder weniger. Trotzdem wurde herausgefunden, daß der Offset noch auftritt.

Die Kombination, bei der eine sehr große Differenz von diesem Resultat gefunden werden konnte, ist die des Farbtoners und des Silikons (Kurve C). Wenn die Abschälstärke für den schwarzen Toner und den Magentatoner Null erreicht (5 g/cm² oder weniger des Auflösungsvermögens der Meßvorrichtung) und die Abschältemperatur des schwarzen Toners 100° oder weniger ist, war der Offset vernachlässigbar klein. Bezüglich Magenta wurde herausgefunden, daß der Offset überhaupt nicht auftritt bei einer Abschältemperatur von 100° oder weniger.

Bei einer Abschältemperatur von 50 bis 60° steigt der Offset wahrscheinlichermaßen ein bißchen an. Es wurde bestimmt, daß diese Tendenz sich klar auf den Glasübergangspunkt eines Basisharzes bezieht, welches eine Hauptkomponente des Toners ist. Weiterhin bezieht sich die Tatsache, daß die Offsetmenge schnell abnimmt bei einer Abschältemperatur von etwa 100° auf einen Erweichungspunkt des Toners. Somit ist der Bereich der geeigneten Abschältemperatur höher als der Glasübergangspunkt des betreffenden Toners und niedriger als der Erweichungspunkt.

Nach der vorliegenden Erfindung kann die Abschältemperatur in einem Bereich relativ hoher Temperaturen eingestellt, sein und die Temperatur,des Metallbandes kann zurückgesetzt werden innerhalb eines Heizbereiches ohne Erniedrigen der Metalltemperatur. Dementsprechend kann der Kalorienverlust in bemerkenswerter Weise reduziert werden. Gleichzeitig kann die Temperaturdifferenz beim im Heiz- und Kühlbereich für das Metallband in bemerkenswerter Weise reduziert werden.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer thermischen Befestigungsvorrichtung nach einem Beispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts der thermischen Befestigungsvorrichtung;

Fig. 3 eine Ansicht zum Zeigen einer Beziehung zwischen der Abschältemperatur und der Abschälstärke;

Fig. 4 eine Darstellung zum Zeigen einer Beziehung zwischen der Abschältemperatur und der Offsetmenge;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht zum Illustrieren der Temperaturbeziehung zwischen jedem Abschnitt der thermischen Befestigungsvorrichtung;

Fig. 6 eine kombinierte graphische/Querschnittsansicht zum Anzeigen einer Temperaturcharakteristik der thermischen Befestigungsvorrichtung;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer thermischen Befestigungsvorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 8a, 8b und 8c Querschnittsansichten zum Illustrieren eines herkömmlichen Nicht-Offset-Entwicklungsverfahrens.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im weiteren beschrieben werden mit Bezug auf die Zeichnung.

Ausführungsform 1

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer thermischen Befestigungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Hauptabschnitts der thermischen Befestigungsvorrichtung. Die thermische Befestigungsvorrichtung beinhaltet im allgemeinen eine Heiz- und Kühlvorrichtung 13 einheitlicher Struktur, ein endloses Metallband 8 einschließlich eines äußeren nicht adhesiven Films 8a (siehe Fig. 2), einen Antriebsrollter 9, welcher bewirkt, daß das endlose Metallband 8 rotiert, während es in engem Kontakt mit der Heiz- und Kühlvorrichtung 13 integraler Struktur ist und einen Preßroller 10, welcher angetrieben ist zum Rotieren, während er gepreßt ist auf die Heiz- und Kühlvorrichtung 13 integraler Struktur mit einer Kraft einiger Kilogramm. Während ein Aufnahmepapier 11 zugeführt wird in einem gepreßten Zustand zwischen dem endlosen Metallband 8 und dem Preßroller 10, wird unbefestigter Toner 12 auf dem Aufnahmepapier 11 gehalten und geschmolzen durch eine, PTC-Heizeinrichtung 1 durch das endlose Metallband 8, und der Toner 12 wird in dem Aufnahmepapier 11 "befestigt". Danach wird der Toner 12 unmittelbar in einem Bereich einer Kühleinrichtung 5 gekühlt. Dementsprechend ist, wenn das Aufnahmepapier 11 abgeschält wird, an einem Abschnitt nähe des Randes der Kühleinrichtung 5, die Viskosität des Toners erhöht, und es gibt keinen Offset auf dem endlosen Metallband 8.

Eine Heizeinrichtung 14 beinhaltet im allgemeinen Zuführungselektroden 2a, 2b und 2c eingebettet in einem Isolator 3, ein PTC-Heizeinrichtungselement 1, eine gleichmäßig zu heizende Platte 16, welche aus einer Aluminiumschicht bedeckend die gesamte Bandseitenoberfläche des PTC-Heizeinrichtungselements besteht, ein federförmiges Kontaktelement 17 und eine isolierende Schicht 18. Die Elemente sind aufgebaut unter Benutzung einer wärmebeständigen Verbindung.

Der Isolator 3 besteht beispielsweise aus einem Polyphenylsulfid (PPS)-Harzformartikel und hat ähnliche Eigenschaften wie das Metallband 8, wie zum Beispiel gute Wärmewiderstandseigenschaften, niedrige Wärmeleitfähigkeitseigenschaften und elektrische Isolationseigenschaften und gute Gleiteigenschaften.

Das PTC-Heizeinrichtungselement 1 ist ein Thermistor mit positiver Charakteristik, bei dem der elektrische Widerstand relativ schnell geändert wird in einem vergleichsmäßig engen Temperaturbereich, falls sich die Temperatur erhöht. Das Heizeinrichtungselement 1 ist gebildet aus einem einwärtigen oder dreiwärtigen Metalloxid mit einer Basis von BaTiO3. Bei dem vorliegenden Beispiel sind elf Chips vorgesehen, welche 0,9 mm dick sind, 8 mm breit und 20 mm lang, und eine Zuführungselektrode 2 wird benutzt als eine Elektrode für eine elektrische Parallelverbindung. In diesem Fall ist das Heizeinrichtungselement eine Heizeinrichtung für die Papiergröße A4. Heizeinrichtungen für Papier der B4- und A3-Größe können verwendet werden durch Verlängern des Heizeinrichtungselements und Erhöhen der Anzahl von Chips in Übereinstimmung mit der Länge. Um die Bandseitenoberfläche der PTC-Heizelemente flach zu machen, ist eine 300 Mikrometer dicke Platte 16, welche gleichmäßig zu heizen ist, an der Außenseitenoberfläche der PTC-Heizeinrichtung 1 mit einer wärmefesten und hochleitenden Verbindung befestigt.

Um die Gleiteigenschaft des Metallbandes 8 aufrecht zu erhalten, ist ein festes Schmiermittel mit einem geringen Reibungsfaktor und dem geringsten Betrag gegenseitiger Abrasion ausgebildet auf der Bandseitenoberfläche dieser gleichmäßig zu heizenden Platte 16. Als das feste Schmiermittel 19 kann beispielsweise Molybdendisulfid- oder PTFE benutzt werden, und die Dicke des Films ist vorzugsweise 15 bis 20 Mikrometer.

Die Heizeinrichtung 14 ist an einer Halterung 7 mittels einer Schraube 4 befestigt.

Die Kühleinrichtung 5 besteht aus einem Aluminiumextrusionsformstück. Die Gleichoberfläche für das Metallband 8 ist mit dem gleichen festen Schmiermittel 19, wie oben erwähnt, bedeckt. Wenn die Krümmung der Oberfläche der Kühleinrichtung 5 steigt, ist der Kontaktdruck des Metallbandes 8 abgesenkt, und das Wärmetauschverhältnis für das Metallband 8 ist erniedrigt. Die Auswahl der Krümmung hängt von der Befestigungsrate usw. ab. Die Gestalt der Kühleinrichtung 5 wird so bestimmt, daß die Oberflächentemperatur des Metallbandes an einem Abschnitt, an dem das Aufnahmepapier 11 abgeschält wird, auf einen Wert in dem geeignetsten Abschältemperaturbereich gesetzt ist. Der Randabschnitt der Kühleinrichtung 8 hat eine kleine Krümmung in einer Weise, daß das Aufnahmepapier 11 leicht abgeschält wird von dem Metallband 8. Somit ist der Kontaktdruck dieses Abschnitts gegen die Kühleinrichtung 5 erhöht. Sogar nachdem das Aufnahmepapier von dem Metallband 8 getrennt ist, wird Wärme von dem Band an die Kühleinrichtung gestrahlt und ein Wärmeverlust tritt auf. Deshalb besteht, obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt, der Randabschnitt der Kühleinrichtung 5 aus einem Isolator mit einer guten Gleiteigenschaft, beispielsweise einem PPS-Harz. Die Kühleinrichtung 5 ist an der Halterung 7 befestigt an einer Rotationsachse im Mittelabschnitt.

Jedoch hat die Kühleinrichtung 5 einen Zwischenraum von etwa 0,5 mm von der Heizeinrichtung 14 und ist thermisch von der Heizeinrichtung 14 getrennt. Dies leistet einen Beitrag zu einer Abnahme in einem Wärmeverlust für die Heizeinrichtung 14 und eine Abnahme in einer Temperaturanstiegsrate der Kühleinrichtung-. Weiterhin wird eine Rückwärts- und Vorwärts-(Zick-zack)-Bewegung der Kühleinrichtung 5 aufgrund der Rotation des endlosen Metallbandes 8 gesteuert durch eine kleine Rotationsbewegung der Kühleinrichtung 5.

Nachdem das Metallband 8 die Kühleinrichtung 5 verläßt, rotiert es sicher ohne Gleiten unter Benutzung einer Gummischicht 9 aufgebracht auf der Oberfläche des Antriebsrollers 9. Wärme wird transferiert von dem Band 8 an den Antriebsroller 9. Falls der Betrag des thermischen Transfers reduziert ist, wird die Wärmemenge in der Heizeinrichtung 14 abgesenkt, mit dem Resultat, daß der Leistungsverbrauch ebenfalls reduziert ist. Der Temperaturgradient des Metallbandes 8 kann erniedrigt werden und die Erzeugung von Knittern in dem Band 8 kann verhindert werden. Um dies zu erreichen, ist die thermische Leitfähigkeit der Gummischicht 9a des Antriebsrollers 9 zur Innenseite hin abgesenkt und der Temperaturabfall des Metallbandes 8, welcher in engem Kontakt mit dem Antriebsroller 9 ist, ist reduziert. Der Antriebsroller 9 ist hergestellt aus einem rostfreien Stahl mit der Form eines Zylinders oder einer runden Röhre mit einem Durchmesser von 15 bis 20 mm, wobei die Oberfläche des rostfreien Stahls bedeckt ist mit einer natürlichen oder synthetischen Gummischicht mit einer Dicke von 0,1 bis 0,5 mm. Die Verhältnisse der Wärmekapazität (spezifische Wärme mal spezifische Dichte) des rostfreien Stahls und des Gummis und die Verhältnisse der thermischen Leitfähigkeit sind 1 : 0,5 beziehungsweise 1 : 0,01. Somit agiert, falls die Dicke der Gummischicht 9a erhöht ist, diese als die isolierende Schicht. Jedoch gibt es vom Standpunkt der Festigkeit Grenzen, wie dick die Gummischicht 9a gemacht werden kann.

Um diese Begrenzungen zu überwinden, ist ein Antriebsroller, bei dem eine Arbeits-Plastikrundröhre oder -Zylinder bedeckt ist mit einer Gummischicht, beim vorliegenden Beispiel benutzt. Da die obere Grenztemperatur des Metallbandes 8, das an den Antriebsroller 9 zugeführt wird, niedriger gemacht ist als der Erweichungspunkt des benutzten Toners, wird eine Temperatur von niedriger als 100° normalerweise benutzt. Als das Gummimaterial und das Arbeits-Plastikmaterial können nämlich verschiedene Materialien ausgewählt werden in einem weiten Bereich. Die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit des Arbeits-Plastikmaterials sind im wesentlichen die gleichen wie die des Gummimaterials. Wenn der so ausgebildete Antriebsroller 9 benutzt wird, kann bei 10 Sekunden nach Startbetrieb der Befestigungsvorrichtung, wie gezeigt in Fig. 1, der Temperaturabfall in dem Metallband 8 aufgrund des Antriebsrollers 9 auf etwa 10° begrenzt werden. Bei einem Antriebsroller unter Benutzung eines herkömmlichen ,Typs mit rostfreiem Stahl als Achsenmittelpunkt, war der Temperaturabfall 30 bis 50°. Somit kann bei der vorliegenden Erfindung ein Abnehmen im Wärmeverbrauch von etwa 20% realisiert werden. Weiterhin trägt der Temperaturabfall bei der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise zur Verhinderung der Erzeugung von Knittern im Band 8 bei. Nach 10 Sekunden nach, Startbetrieb ist der Temperaturabfall sogar noch kleiner. Der größte Leistungsverbrauch ist 350 Watt, was weniger als die Hälfte dessen einer herkömmlichen Vorrichtung ist.

Der Preßroller 10 kann ein weicher Roller sein mit einer sehr niedrigen Festigkeit im Vergleich zum Preßroller, der bei einer herkömmlichen thermischen Befestigungsvorrichtung benutzt wird. Dies ist wahr, da eine sehr breite Klemmbreite zum Heizen benötigt wird, um den Druck des-Preßrollers klein zu machen und um den Gleitwiderstand zwischen der Heizeinrichtung 14 und dem Metallband 8 klein zu machen, sowie um ein notwendiges Rotationsdrehmoment zu reduzieren. Ein Preßroller mit einem kleinen Durchmesser wird zur Miniaturisierung von Leichtigkeit und Kostengünstigkeit vorgezogen.

Somit wurde ein Silikonschaum-Gummiweichroller mit einem Durchmesser von 20 bis 25 mm mit einer Formhautschicht auf der Oberfläche benutzt unter Benutzung eines Drucks von 1,5 bis 2 Kilogramm. Die Härte des Weichrollers ist 5° oder weniger auf einer JIS-A-Skala (30° auf der ASKER-C-Skala), was sehr niedrig ist, während die Härte des herkömmlichen Preßrollers 20 bis 30° oder mehr auf der JIS-A-Skala bei einem Druck von 5 bis 10 Kilogramm oder mehr ist.

Bei der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde die Härte des Gummis des Preßrollers entwickelt unter einer Bedingung von 15° und 30° in der ASKER-C-Skala (japanischer Gummivereinigungsstandard) und der Druck wurde entwickelt unter Benutzung eines Drucks von 1,5 bis 2 Kilogramm. Die Klemmbreite in diesen Fällen war 6 bis 8 mm.

Wenn der Preßroller mit einer kleinen Gummihärte unter Druck gesetzt wird während einer Nichtbetriebsphase, wird der Preßroller deformiert und die Wiederherstellung des Rollers erfordert einige Zeit. Dementsprechend ändert sich der Druck auf dem Aufnahmepapier und die Befestigung wird in nachteiliger Weise beeinflußt. Um dieses Problem zu lösen wurde die elektromagnetische Spule so betrieben, daß sie nur während Betriebsphasen einen Druck ausübt. Wenn bei diesem Prozeß ein Durcheinander des Aufnahmepapiers auftritt, wird der Preßroller losgelassen und die Papierzugoperation kann leicht ausgeführt werden. Somit ist der Prozeß effektiv beim Reduzieren der Anzahl von Teilen.

Die Oberflächentemperatur der nicht-adhesiven Oberfläche des endlosen Bandes, welches bearbeitet wird durch die vorliegende Befestigungsvorrichtung und welche wie oben beschrieben konstruiert ist, ist verteilt, wie in Fig. 5 zeigt. Diese Verteilung wird bestimmt von Entwicklungsresultaten der oben beschriebenen Nicht-Offset-Eigenschaft sowie verschiedenen anderen Betrachtungen, wie erwähnt in der vorherigen Beschreibung der ersten Ausführungsform.

Es ist vorzuziehen, eine Temperatur so zu verwenden, daß der Toner hinreichend auf dem offenen Papier befestigt werdend kann, und zwar nahe dem Punkt A, nämlich daß die Temperatur in vorteilhafter Weise erhöht sein kann auf nahe den Schmelzpunkt des Toners. Wenn jedoch die Klemmbreite (Klemmzeit) sehr groß ist, ist die Temperatur nicht notwendigerweise auf den Schmelzpunkt erhöht, wie bei der vorliegenden Befestigungsvorrichtung. Wie im weiteren erwähnt sein wird, kann sogar, falls die Temperatur erniedrigt ist, eine hinreichende Befestigungsstärke dennoch erhalten werden. Deshalb ist vom Standpunkt des Leistungsverbrauchs und vom Standpunkt der Maximaltemperatur der vorliegenden Befestigungsvorrichtung die Temperatur signifikant erniedrigt, um einen Sicherheitsfaktor zu erhöhen, und eine Temperatur TA, das heißt ein Curie-Punkt der PTC-Heizelementvorrichtung 1, welcher benutzt wird, kann bestimmt werden. In diesem Fall wurde ein TC von 190° benutzt.

Falls die Abschältemperatur an dem Schälpunkt B in einem Bereich höher als dem Übergangspunkt Tg des Tonerglases und niedriger als dem Erweichungspunkt Ts des Toners ist, ist die Offsetmenge minimalisiert. Wenn die Befestigungsvorrichtung nach dem vorliegenden Beispiel betrieben wird, ist die Wärmekapazität der Kühleinrichtung 5 (bezüglich auf den Betrag der emittierten Wärme) so entworfen, daß T_B 65° bei 10 Sekunden nach dem Start des Betriebes und T_B 90° nach dem kontinuierlichen Befestigen einer Vielzahl von Blättern (zum Beispiel 40 bis 70) ist. Weiterhin können im Fall, in dem ein Entwurf für eine kontinuierliche Benutzung einer langen Zeit lang beabsichtigt ist, die Temperaturbedingungen leicht befriedigt werden durch Vergrößern der Kühleinrichtung 5 und Vorsehen einer kleinen Wärmesenkenrippe.

Die Temperatur am Einführungspunkt C zum Antriebsroller 9 ist um 7 bis 8° im Vergleich zu T_B durch die Wärmeleitung an den Oberabschnitt der Kühleinrichtung erniedrigt und ist weiterhin erniedrigt um das Maximum von 7 bis 80 an einem Punkt D durch die Wärmeleitung an den Antriebsroller 9. Die Temperatur T_D mit dem Bereich von 50 T_D 80° (10 Sekunden nach dem Betriebsstart) ist gezeigt. Der Wert von T_D wird im wesentlichen in einem Bereich gehalten zum Eingangsabschnitt der Heizeinrichtung 14 und die Temperatur des Punktes D wird geheizt durch den Heizisolator 3, der geheizt wird durch die Wärmeleitung, so daß das Band 8 vorgeheizt ist auf 80 bis 90° am Punkt E. Danach wird das Band 8 auf das Aufnahmepapier 11 am Punkt E gepreßt.

Die Temperatur auf der Oberfläche des Aufnahmepapiers, die erhalten wird wenn das Aufnahmepapier durch die Befestigungsvorrichtung durchgetreten ist, wurde durch die folgenden Verfahren gemessen. Nämlich wurde ein Aufnahmepapier direkt bedruckt mit Toner versehen mit einem Abschnitt eines 13 Mikrometer Durchmesser Chromel-Alumel-Thermoelements (um 1 bis 2 mm verschieden von der Oberfläche davon) durch ein Teflonband mit einem Haftvermittler. Die angedeuteten Werte des Thermoelements, die erhalten wurden, wenn das Aufnahmepapier durch die Befestigungsvorrichtung durchgelassen wurde, wurden durch eine Aufnahmevorrichtung aufgenommen. Dieses Thermoelement wird benutzt, um verschiedene Temperaturmessungen zu machen, wobei der Oberabschnitt des Thermoelements im Toner eingebettet ist. Deshalb zeigen die angedeuteten Werte die Tonertemperatur. Ein Beispiel der Änderung der gemessenen Tonertemperatur ist in Fig. 6 gezeigt.

Wie aus Fig. 6 verstanden werden kann, gibt es einen beträchtlichen Temperaturanstieg aufgrund der Strahlungsheizung. Dennoch kann sich dieser Temperaturanstieg nur in einem Bereich nahe der Oberfläche des Aufnahmepapiers vorgestellt werden. Somit war, sogar beim Heizen in der Richtung der Dicke des Aufnahmepapiers, welches vom Preßkontakt herrührt, die maximale Endtemperatur des Toners nur 105° zu einer Zeit 10 Sekunden nach dem Start des Heizens und 115° zu einer Zeit 1 Minute danach.

Eine thermische Befestigung durch das Aufnahmepapier mit unbefestigtem übertragenen Toner wurde ausgeführt bei der Befestigungsvorrichtung, und zwar mit dem Resultat, daß eine Befestigung guter Qualität mit dem Befestigungsverhältnis von 80% oder mehr (Bandtest) ausgeführt wurde bei 20 bis 30 Sekunden nach dem Start des Betriebs. Obwohl der Curie-Punkt des PTC-Heizelements, das bei der Befestigungsvorrichtung benutzt wird, 190° war, zeigt ein weiteres Beispiel, um eine gute Befestigung nach 10 Minuten vom Start des Betriebs zu erhalten, daß der Curie-Punkt zu 200° eingestellt werden sollte.

Der bei der vorliegenden Erfindung benutzte endlose Metallpunkt war 20 Mikrometer dick für das Ni-Band und 10 Mikrometer dick auf der PTFE-Schicht auf dem Ni-Band.

Obwohl nur schwarzer Toner entwickelt wurde bei diesen Befestigungselementen, trat ein Offset in keinem der Fälle auf. Die Befestigungsrate war 40 mm/Sekunde.

Ausführungsform 2

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer thermischen Befestigungsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform hat den Zweck des Verbesserns der Heizfähigkeit und der Verhinderung des Auftretens von Knittern im endlosen Metallband 8, wobei eine Verbesserung in der Befestigungsrate erzielt wurde durch Vorsehen eines zusätzlichen Vorheizers 14′.

Die Wicklung des Metallbandes 8 auf dem Antriebsroller 9 mit einer konstanten und niedrigen Spannung durch Pressen des Vorheizers 14′ gegen das endlose Metallband 8 durch die schwache Plattenfeder 16 führte zu einem gewünschten Effekt von den Standpunkten der Verhinderung eines Gleitens für das Metallband 8 und der Reduktion des Rotationsdrehmoments. Weiterhin konnte die Anzahl von Teilen reduziert werden und die Arbeitsstunden zum Aufbau sind ebenfalls reduziert, wobei einer der Effekte ist, daß der Vorheizer 14′ befestigt werden kann durch Plazieren der zwei Platten 16 in Schlitze in den Halterungen 7 und 7′. Die andere Konstruktion ist die gleiche wie die der ersten Ausführungsform.

Bei der zweiten Ausführungsform wurde ein Befestigungselement ausgeführt unter Benutzung von 150° als dem Curie-Punkt der PTC-Heizeinrichtung 1′ des Vorheizers 14′, 230° als dem Curie-Punkt der PTC-Heizeinrichtung 1 der Hauptheizeinrichtung 14 und 100 mm/Sekunde als Befestigungsrate. Eine gute Befestigungsfunktionstüchtigkeit wurde nach 15 Sekunden vom Betriebsbeginn erhalten in einem Fall, in dem derselbe Toner wie bei der ersten Ausführungsform benutzt wurde. Weiterhin konnte nach 30 Sekunden vom Betriebsstart eine Befestigungsrate von 20 bis 25 A4-Blättern/Minute erhalten werden.

Wenn eine Vielzahl von Heizeinrichtungen benutzt wurde, wie-bei der obigen Ausführungsform, ist etwa das Zweifache der elektrischen Stoßleistung in einem Fall erforderlich, in dem Leistung an die PTC-Heizeinrichtungen gleichzeitig zugeführt wird. Die Zeit, wenn der Stoßstrom zum Fließen veranlaßt wird, ist etwa 2 bis 3 Sekunden. Nach dem Stoßstrom wurde der gewöhnliche Strom ein Drittel bis ein Zehntel davon. Die Benutzung dieser Eigenschaft führt zu so großen Effekten, daß, wenn der Strom zunächst angewendet wird an den Vorheizer 14 und nach etwa 3 Sekunden, wenn der Strom angelegt wird an die Hauptheizeinrichtung 14, der maximale Leistungsverbrauch gehalten wird auf dem Anstieg von 20% bezüglich des Falls einer Heizeinrichtung und die Verzögerung der Startzeit für das Befestigen auf 1 bis 2 Sekunden begrenzt werden kann. Das ist sehr vorteilhaft.

Ausführungsform 3

Ein weiteres Experiment wurde ausgeführt unter Benutzung eines endlosen Metallbandes 8 eines 20 Mikrometer dicken endlosen Nickelbandes, auf dessen äußerer Oberfläche eine 3 bis 5 Mikrometer dicke Silikonharzschicht abgeschieden war. Die restliche Konstruktion ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.

Da die Dicke des nicht-adhesiven Films dünn ist bei dieser Befestigungsvorrichtung (soviel wie ein 1/3 bis 1/2 der Dicke bei der ersten Ausführungsform), wurden ein gutes thermisches Leitungsverhältnis und eine gute Befestigungseigenschaft nach 10 Sekunden vom Betriebsstart erhalten. Der bei diesem Beispiel benutzte Toner war derselbe schwarze Toner wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, und ein Offset trat nicht auf.

Unter Benutzung eines Aufnahmepapiers, auf das ein Magentatoner enthaltenes Farbtonerbild übertragen wird und in einer Befestigungsvorrichtung befestigt wird, wurde gefunden, daß ein Befestigen guter Qualität ohne Offset realisiert werden kann. Die Befestigungsrate des gewöhnlichen Papiers ist 40 mm/Sekunde. Dennoch wurde herausgefunden, daß, falls die Befestigungsrate bei Farb-OHP auf 20 mm/Sekunde abgesenkt wird, eine gute Befestigungsqualität realisiert werden kann. Dies ist wahr, da die Wärmekapazität des OHP-Blattes größer ist als die des normalen Papiers und eine größere Wärmekapazität zum gleichförmigen Schmelzen des Toners erforderlich ist.

Ausführungsform 4

Bei dieser Ausführungsform wurde die Befestigungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform erzeugt unter Benutzung desselben endlosen- Metallbandes wie bei der dritten Ausführungsform benutzt, und ein Experiment wurde entwickelt.

Die thermische Effizienz wurde verbessert über die der zweiten und dritten Ausführungsform. Die Befestigungseigenschaft des Farbtoners war dieselbe wie bei der dritten Ausführungsform.

Nach der vorliegenden Erfindung kann das Trockenbefestigen, das nicht bei einer herkömmlichen thermischen Befestigungsvorrichtung realisiert werden konnte, jetzt ausgeführt werden. Insbesondere konnte Trockenbefestigen für den Farbtoner zum ersten Male realisiert werden. Weiterhin ist die thermische Effizienz verbessert und die Aufwärmzeit auf 10 bis 15 Sekunden verkürzt unter Benutzung der Hälfte oder weniger des Leistungsverbrauchs bei der herkömmlichen thermischen Befestigungsvorrichtung.

Claims (8)

1. Thermische Befestigungsvorrichtung mit einem Paar rotierender Roller, welche in Preßkontakt miteinander stehen, einem Heiz-/Kühlabschnitt verbunden mit zumindest einem der Roller und einer Bildhalterung mit einem unbefestigten Tonerbild, wobei die Halterung durchgeschickt wird durch einen Zwischenraum zwischen den Rollern, so daß das unbefestigte Tonerbild thermisch befestigt wird durch Schmelzen des Heiz-/Kühlabschnitts mit einer Heiz- und Kühlvorrichtung einheitlicher Struktur mit einem Kühler und einem Heizer, wobei die thermische Befestigungsvorrichtung weiterhin ein dünnes endloses Metallband umfaßt, welches rotiert, während es im Kontakt ist mit der Heiz/Kühlvorrichtung einheitlicher Struktur und welches einen nicht-adhesiven Film auf einer äußeren Oberfläche davon hat, dem ein auf die Bildhalterung zu transferierendes Bild zugeführt wird und einen Antriebsroller, welcher das endlose Metallband zur Rotation antreibt unter Anwenden von Spannung auf das endlose Metallband, wobei eine Oberflächentemperatur in einem Abschnitt des endlosen Metallbandes, in dem das endlose Metallband in Preßkontakt mit der Bildhalterung ist, zuerst erhöht wird auf eine Temperatur (Tm) nahe dem Schmelzpunkt des Toners und darauffolgend so gekühlt wird, daß die Bildhalterung entfernt werden kann- vom Preßkontakt mit dem endlosen Metallband und so daß die Temperatur des Toners höher als eine Glasübergangstemperatur des Toners und niedriger als ein Erweichungspunkt davon ist.

2. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsroller ein Material mit einem hinreichend großen Reibungskoeffizient auf einer äußeren Oberfläche des Antriebsrollers, einer signifikant niedrigeren Wärmeleitung als einem Metallmaterial des endlosen Metallbands und einer signifikant kleinen Wärmekapazität umfaßt.

3. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht-adhesive Film des endlosen Metallbandes ein flaches dünnes Material entweder aus Silikongummi oder aus Silikonharz umfaßt.

4. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und Kühlvorrichtung einheitlicher Struktur eine Halterung, eine Heizeinrichtung befestigt an der Halterung und eine Kühlvorrichtung befestigt an der Halterung an einer Rotationsachse der Kühleinrichtung, so daß die Kühleinrichtung um die Rotationsachse rotieren kann, umfaßt.

5. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- und Kühlvorrichtung einheitlicher Struktur eine Halterung, eine Heizeinrichtung mit einer Vielzahl von Heizquellen angebracht an der Halterung und eine Kühleinrichtung angebracht an der Halterung an einer Rotationsachse der Kühleinrichtung, so daß die Kühleinrichtung um die Rotationsachse rotieren kann, umfaßt.

6. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Startzeit zur Stromzuführung an die Heizquelle der Heiz- und Kühlvorrichtung einheitlicher Struktur mit einer Vielzahl von Heizquellen fortlaufend zeitlich verschoben ist.

7. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gummihärte eines Preßrollers, der angetrieben wird und rotiert während er gepreßt und in Kontakt ist mit der Heiz- und Kühlvorrichtung einheitlicher Struktur, 30° oder weniger gemessen auf der ASKER-C-Skala ist.

8. Thermische Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Preßrollers erzeugt wird durch eine elektromagnetische Spule und daß der Druck des Preßrollers entspannt wird während der Nichtbetriebszeit der Befestigungsvorrichtung.