Brevet FR2806794A1 — publié le 20010928

La présente invention concerne la mesure température d'un élément chauffant. Elle vise notamment mais non exclusivement la mesure de température élément chauffant pour feuille, plus particulièrement utilisé dans le procédé électrophotographique pour la fixation d'une encre à base de poudre de carbone appelée toper, transférée d'un tambour photosensitif sur une feuille de papier. Dans le procédé appelé électrophotographique, toper est transféré d'un tambour photosensitif sur une feuille de papier, puis fondu par l'échauffement élément chauffant et de cette façon fixé sur la feuille de papier. Le procédé électrophotographique trouve une large application dans le domaine des copieurs, des imprimantes lasers, des unités d'impression pour télécopieurs, Pour permettre l'utilisation d'une unité de fixation compacte et légère dans le procédé électrophotographique et pour porter l'unité de chauffe à une température opérationnelle sur une période de temps très courte, l'élément chauffant de fixation, qui est traditionnellement de forme tubulaire contenant une lampe halogène, est remplacé dans certains cas un chauffage qui comprend une bande d'élément chauffant, appelée résistance chauffante, pourvue sur un substrat. Cette résistance, généralement faible épaisseur, peut être chauffée presque instantanément à la température de fixation du toper après le passage d'un courant entre les deux extrémités de la résistance. Selon l'état dans lequel se trouve l'élément chauffant avant le passage courant, la quantité d'énergie nécessaire pour atteindre la température fusion toner sera différente. Ainsi, un cycle thermique doit être fourni par bande chauffante. La régulation en température de la bande chauffante réalisée classiquement par une méthode de mesure indirecte à l'aide composant de type thermistance placé à proximité de la bande chauffante. Les éléments de chauffage conventionnels de ce type sont composes d'un substrat en céramique isolant en forme de plaque rectangulaire allongée, d'un filament déposé sous forme d'une bandelette sur la surface supérieure active du substrat et de deux électrodes conductrices recouvrant partiellement chaque extrémité opposée du filament. La résistance généralement protégée par une couche vitreuse isolante. Sur la face opposée à la face active, une thermistance est montée en surface : elle repose directement sur le substrat isolant céramique. Deux électrodes conductrices assurent le passage de courant entre la thermistance et les extrémités l'élément de chauffage. Le contact entre les électrodes et la thermistance réalisé deux points de colle conductrice électrique. Afin de favoriser transfert thermique, une colle conductrice thermique est également appliquée entre la thermistance et le substrat. Lorsqu'un courant électrique est applique à la bande chauffante, la chaleur générée se propage vers la thermistance. propriété Coefficient de Température Négatif (CTN) permet à thermistance de voir la valeur de sa résistance électrique diminuer quand température augmente. Cette variation suit une loi exponentielle connue permet une régulation thermique du procédé de fixation du toner sur le papier. Cette méthode indirecte de mesure de température n'est réalisable que pour un substrat ayant de bonnes propriétés de conduction thermique. effet, température de la face opposée à la face active doit suivre température de l'élément chauffant de la face active le plus dynamiquement possible. Le délai de transmission de la chaleur de la face active à la face opposée est d'autant plus important que le substrat est mauvais conducteur thermique. L'utilisation d'un substrat mauvais conducteur thermique rend donc cette méthode inefficace. D'autre part, il existe des systèmes de mesure de température utilisant les propriétés de variation de la constante diélectrique de certains matériaux avec la température. Ainsi, le brevet US 4 419 021 décrit un capteur capable de mesurer la température et l'humidité de son environnement. capteur utilise les propriétés de variation de la constante diélectrique composé céramique avec la température. Ce capteur se présente sous forme d'un condensateur dont le diélectrique est le composé céramique. capteur est notamment utilisé dans un système d'air conditionné. II cependant qu'une fonction de détection et est indépendant du système chauffage. II prend donc une place non négligeable. De plus, il ne permet de réguler la température d'un élément chauffant. L'invention vise à pallier ces inconvénients en permettant une mesure efficace de la température d'un élément chauffant sans l'utilisation composants de type thermistance, ceci afin de pouvoir réguler cet élément chauffant à sa température de fonctionnement. L'invention propose à cet effet un dispositif de mesure température d'un élément chauffant comportant un substrat électriquement isolant, un élément chauffant métallique appliqué sur le substrat caractérisé en ce qu'il comporte un élément métallique appliqué en regard de l'élément chauffant façon à ce que le dit substrat forme le diélectrique d'une capacité constituée premier pôle formé par l'élément chauffant et d'un deuxième pôle formé le dit élément métallique, la capacité ainsi formée variant en fonction de température de l'élément chauffant. agencement simple et peu couteux puisqu'il ne necessite pas composant type thermistance, permet de mesurer une variation température quasi-immédiate de l'élément chauffant puisque le moindre changement température de l'élément chauffant intervient sur la zone substrat la plus proche de cet élément et fait ainsi varier la constante diélectrique substrat et donc, la capacité résultante. manière avantageuse, le substrat formant le diélectrique constitue également le support de l'élément chauffant ce qui réduit le nombre de pièces cet élément chauffant et en simplifie la structure. substrat est avantageusement en matériau thermoplastique. II peut donc etre réalisé par moulage, les propriétés de conduction thermique ne sont ici nécessaire comme dans le cas d'une méthode utilisant par exemple une thermistance. En effet, la variation de la constante diélectrique intervient également pour ce type de matériau, il peut sagir notamment de matériau type résine phénolique résistant aux hautes températures. Diverses configurations sont possibles pour réaliser l'invention. Ainsi, il est envisageable que le substrat constitue la couche protection de l'élément chauffant, cette couche de protection ayant également des propriétés diélectriques variant avec la température de l'élément chauffant. Cette couche de protection peut être avantageusement réalisé en un matériau type Polyimide résistant aux hautes températures assurant une bonne protection contre par exemple d'éventuels frottements. manière préférée, afin de faciliter la fabrication tel élément chauffant et diminuer le coût, l'élément chauffant et l'élément métallique constituant deux pôles du condensateur ont la même composition et sont réalisés un même procédé d'application sur le substrat. peut s'agir par exemple nickel déposé sur le substrat par un procédé métallisation du type correspondant aux initiales de l'expression anglaise "Molded Interconnect Device". II peut aussi s'agir, dans un autre exemple de réalisation, de compose cuivrique appliqué sur un substrat de type polyimide par laminage. L'invention propose ainsi un dispositif de chauffage comportant un dispositif mesure de température comme décrit précédemment et un système contrôle d'alimentation permettant d'effectuer une régulation en température l'élément chauffant caractérisé en ce qu'il est composé de deux générateurs signaux alternatifs d'amplitude différente connectés à l'élément chauffant l'intermédiaire d'un commutateur permettant de passer de l'un à l'autre selon l'on doit chauffer ou non l'élément. Ceci permet en effet, de mesurer la température l'élément chauffant, à la fois lorsque celui ci voit sa température augmenter, étant ainsi alimenté en conséquence et lorsqu'il voit sa température décroitre, ceci afin d'effectuer une bonne régulation thermique de l'élément chauffant. Selon un mode de réalisation possible, les moyens mesure peuvent comporter un amplificateur et en cascade avec celui-ci, un convertisseur analogique-numérique connectés pour convertir un signal provenant de l'agencement capacitif et en réponse aux signaux d'excitations délivrés par les générateurs précités, en informations numériques représentatives de la température de l'élément chauffant Un tel dispositif est avantageusement caractérisé en ce qu'il comporte un circuit principal de traitement pilotant le commutateur précité suivant une comparaison entre lesdites informations numériques représentatives de la température de l'élément chauffant et valeurs prédéfinies stockées dans une mémoire morte correspondants à valeurs maximales et minimales de température de régulation, ceci afin d'effectuer une régulation thermique de l'élément chauffant pour une temperature de fonctionnement comprise entre deux valeurs seuils. L'invention concerne également un dispositif de fixation de toner comportant un trajet de circulation de feuilles et un dispositif de chauffage du type précité, auprès de ce trajet. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif fixation de toner mettant en oeuvre l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de dessus élément chauffant adapté à la mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe de cet élément selon ligne A-A de cette figure 2; - la figure 4 est un shéma électrique équivalent de l'élément chauffant suivant l'invention ; - la figure 5 est un schéme bloc d'un mode de réalisation preféré du dispositif de contrôle d'alimentation et du bloc de mesure permettant d'effectuer la regulation thermique de l'élément chauffant. - la figure 6 est un organigramme d'un programme résidant en mémoire morte et mettant en oeuvre le système de régulation en température l'élément chauffant; - figure 7 est une vue shématique de dessus d'un autre mode de réalisation l'élément chauffant ; - figure 8 est une vue en coupe selon la ligne B-B .de autre élément chauffant. - figure 9 est une vue de dessus d'encore un autre mode de réalisation l'élément chauffant ; figure 1 représente schématiquement un dispositif de chauffage, par exemple intégré à une unité de fixation de toner, comportant un trajet de produits tels que des feuilles représentées ici en 10. Celles ci suivent trajet de la droite vers la gauche. Un élément chauffant 12 est disposé auprès de ce trajet. II comporte un filament de chauffage (ou ligne de chauffage) 20 longeant un substrat transversal au trajet de produit. Un élément métallique est disposé en regard de l'élément chauffant sur l'autre face du substrat dite face non active. La feuille 10 arrive du système d'impression avec un dépot de particules de toner 11 formant une image. La feuille passe alors à proximité de l'élément chauffant 12, elle est pressée sur le filament de chauffage par le rouleau en silicone 13. L'association chaleur-pression permet la fixation des particules de toner 14. La pression exercée par le rouleau 13 est assuree par le ressort 15. L'unité de fixation comporte également un film protecteur qui se déplace sans fin sur la face active de l'élément chauffant. Le filament de chauffage et l'élément métallique 22 sont connectés à un dispositif de contrôle d'alimentation 17 et à un bloc de mesure 18 seront détaillés ultérieurement, conçus en sorte de garantir le maintien la température du filament dans une plage de fonctionnement donnée. Selon l'invention, l'élément métallique 22 constitue un élément du dispositif de mesure de température l'élément chauffant. La figure 2 est une vue schématique de dessus d'un exemple de réalisation d'un elément chauffant. On y voit le filament de chauffage en alliage compose principalement de Nickel par exemple. Ce filament chauffant à une résistance d'environ 70 Ohm. II est déposé sur un substrat 21 isolant électrique et plus ou moins isolant thermique. Dans ce mode préfère de réalisation, ce substrat est un materiau thermoplastique de type resine phénolique apte à supporter des températures élevées. Ce substrat en l'occurence mauvais conducteur thermique. Un élément métallique 22 placé sur la face opposée à la face active, en regard du filament de chauffage. Le filament 20 chauffé par l'application d'une tension alternative à ses extrémités 23b. Le signal récupéré sur l'élément métallique est représentatif température du filament de chauffage 20. La mesure de cette capacite effectuée entre l'élément 22 et l'une des extrémités ou 23b. La figure 3 représente une coupe de l'élément chauffant selon la ligne A-A de figure 2. On y retrouve le filament chauffant 20, le substrat et I 'élément metallique 22. Lorsque le signal alternatif est appliqué sur le filament chauffant récupère un signal transmis par effet capacitif sur l'élement métallique L'amplitude de ce signal varie avec la température de la ligne Dans cet exemple de réalisation, lorsque la température augmente, l'amplitude du signal mesurée en 22 augmente. Cette variation s'explique par la variation de la constante diélectrique srdu substrat, en l'occurance en résine phénolique, qui augmente avec la température, ce qui fait donc également augmenter valeur de capacité ainsi crée. La variation de la constante diélectrique s, intervient sur toute l'épaisseur du substrat et surtout sur la zone la plus proche de la ligne chauffante 20. Le moindre changement de température de ligne a donc une incidence immédiate sur l'amplitude du signal mesuré sur l'elément métallique 22. Dans le cas d'une thermistance située à la place de l'élément métallique 22, la température mesurée correspond à la temperature de la surface de la partie inférieure du substrat et non celle de la ligne 20. Le substrat dans le cas présent étant mauvais conducteur thermique, il existe un délai non négligeable entre le moment où la température de la ligne 20 change le moment où ce changement se répercute sur la surface inférieure du substrat. De ce fait, une thermistance pour ce type de substrat, ne peut pas convenir. La figure 4 représente un schéma électrique équivalent de l'élément chauffant suivant l'invention. Le générateur G génère un signal alternatif sur l'elément chauffant représenté par les deux résistances nommées R, environ egales à 35 Ohm pour le mode de réalisation décrit. La capacité nommée C sur figure représente la capacité formée par la ligne de chauffage le substrat et l'élément métallique 22. La valeur de la capacité est l'ordre de quelques pico-Farads ( 1,5 pF à 3pF) pour une ligne de chauffage de largeur mm, un substrat d'épaisseur 3mm et un élément métallique 35mm sur La figure 5 est un schéma bloc d'un mode de réalisation préféré du dispositif de contrôle d'alimentation 17 et du bloc de mesure permettant d'effectuer la régulation thermique de l'élément chauffant. Dans dispositif de contole d'alimentation 17, on y remarque deux générateurs de tension alternatives 50 et 51. Le générateur de tension alternative permet de chauffer la ligne 20 de l'ensemble 53 lorsque le commutateur 52 en position 1. Le signal généré est par exemple un signal alternatif sinusoïdal d'amplitude 180 Volt efficace pour une fréquence de 50 Hertz. Le générateur de tension alternative 51 délivre un signal d'amplitude beaucoup plus faible, exemple de 18 Volt efficace pour une fréquence de 50 Hertz. Ce signal ne permet pas de chauffer le filament 20, il est cependant necessaire pour pouvoir effectuer une mesure de température en continue. En effet, la mesure de température doit aussi être effectuée lorsque l'élément chauffant se refroidit, ceci afin d'effectuer une bonne régulation et par exemple alimenter de nouveau la ligne à l'aide du génerateur 50 lorsque la température est inférieure à un seuil minimal acceptable ou bien laisser refroidir la ligne en cas de de fonctionnement. signal est généré sur la ligne 20 lorsque le commutateur est en position L'ensemble 53 est constitué de la ligne chauffante 20 alimentée par les générateurs 50 ou 51 et de l'élément métallique 22. Un signal transmis par effet capacitif et représentatif de la température de ligne chauffante 20, mesuré sur l'élément métallique à l'aide d'un circuit de mesure 54 constitué d'un amplificateur 54a et d'un convertisseur analogiquelnumerique 54b. La sortie du circuit de mesure 54 est connectée au circuit principal traitement 55. Celui-ci effectue la régulation en temperature de l'élément chauffant en commandant le commutateur 52 suivant la valeur de l'amplitude du signal délivré par le circuit de mesure 54 et les valeurs minimales et maximales température de régulation, stockées dans la mémoire morte 56. Cette memoire morte contient également le programme permettant d'effectuer la régulation en température. La figure 6 est un organigramme d'un programme résidant en mémoire morte et mettant en oeuvre le système de régulation en temperature de l'élément chauffant. La fonction de ce programme est de réguler les valeurs de tensions mesurées par le circuit de mesure 54 entre des valeurs de tension Vmin et Vmax correspondant respectivement à la température minimale à la température maximale de régulation. Cette plage de température correspond à une plage dans laquelle l'élément chauffant a un fonctionnement normal. L'organigramme se compose de 8 étapes ( E60 à E67). A l'étape E 60, le système est en phase d'attente de demande de copie de la de l'utilisateur. Lorsqu'une demande de copie est lancée, on passe à l'étape 61. Le circuit principal de traitement 55 commande alors le commutateur 52 se positionner 1, ce qui permet à l'élément chauffant d'être alimenté pour chauffer. L'étape suivante E 62 consiste à mesurer la tension obtenue à la sortie de l'élément métallique 22 représentative de la température de l'élément chauffant. circuit de mesure 54 récupère le signal à la sortie l'élément métallique Celui ci est ensuite comparé à l'étape E 64 à la valeur Vmax correspondant à la température maximale de régulation de l'élément chauffant. Pour une valeur inférieure à Vmax, le programme retourne à l'étape 62. Pour une valeur supérieure à Vmax, le circuit principal de traitement 55 commande le commutateur 52 de se positionner en 2, ce qui met en fonctionnement le générateur qui délivre alors une tension qui permet de mesurer tension correspondante à la sortie de l'élément 22 sans chauffer pour autant filament 20. L'étape suivante E 65 consiste à mesurer comme à l'étape E 62, signal à la sortie l'elément 22 et à l'étape E 66 de le comparer à la valeur minimale de tension Vmin correspondant à la température minimale de régulation. Pour une valeur supérieure à V min. le programme retourne à l'étape E 65. Pour une valeur inferieure à Vmin, le programme passe à l'étape E 67 qui verifie que l'impression terminée et qu'il n'y a pas d'autres copies à faire. Si ce n'est le cas, le programme revient à l'étape E 61. Dans le cas où les impressions sont terminées, programme retourne à l'étape E 60. figure 7 est une vue schématique de dessus d'un autre mode de réalisation l'élément chauffant. Dans cette configuration, on retrouve la ligne chauffante et ses deux extrémités 23a et 23b, recouvertes d'une couche de protection peut par exemple être un film en polyimide ou encore une couche de resine silicone. L'élément métallique 22 est alors situé dessus de cette couche de protection. Le substrat formant le diélectrique est alors dans le cas présent couche de protection, les deux pôles formant la capacité étant le filament chauffant et l'élément métallique. figure 8 montre ce même élément chauffant vue coupe selon la ligne B . On y distingue bien la ligne chauffante 20 appliqué un support 24. Cette ligne chauffante est recouverte d'une couche de protection 21 devenant alors le substrat diélectrique de la capacité formé par cette ligne chauffante et l'élément métallique 22. Cet élément métallique se retouve donc sur la face supérieur de l'élément chauffant, c'est à dire sur la couche de protection. Dans cette configuration, c'est la constante dielectrique de la couche de protection qui varie avec la température de la ligne chauffante. figure 9 est une vue de dessus d'encore un autre mode de réalisation élément chauffant mettant en oeuvre l'invention.Ce type d'élément chauffant est de type flexible et est fréquemment utilisé pour des applications telles que le dégivrage des vitres ou rétroviseurs d'automobiles, les écrans à cristaux liquides, ou encore tout type d'application necessitant un chauffage sur formes non plane. Cet élément chauffant constitué d'une ligne chauffante 20 alimentée à ses extrémités 23a et Cette ligne chauffante genéralement réalisée par une découpe d'une feuille de métal en alliage cuivrique. Elle est comprise entre deux couches isolantes 21 a et 21 b qui peuvent etre de nature identique mais pas nécessairement. Ces couches isolantes sont exemple des films en materiau polyimide. type d'élément chauffant flexible est généralement réalisé par un procédé laminage qui permet de constituer et d'assembler les différentes couches. L'élément métallique placé sur l'une des couches 21a ou 21b. Une ces couches isolantes forme alors le diélectrique dont la constante varie avec température de la ligne chauffante conformément à l'invention. Tous ces modes de réalisation ont été décrits à titre indicatif, de nombreuses autres variantes peuvent bien sûr être proposées. REVENDICATIONS Dispositif de mesure de température d'un élément chauffant comportant un substrat électriquement isolant (21), un élément chauffant métallique (20) appliqué sur le substrat caractérisé en ce qu'il comporte un élément métallique (22) appliqué en regard de l'élément chauffant de façon à ce que le dit substrat forme le diélectrique d'une capacité constituée premier pôle formé par l'élément chauffant et d'un deuxième pôle formé dit élément métallique, la capacité ainsi formée variant en fonction température de l'élément chauffant. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que substrat constitue le support de l'élément chauffant. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que substrat réalisé en un matériau thermoplastique. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que substrat constitue la couche de protection de l'élément chauffant. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que substrat réalisé en un matériau de type polyimide. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dit élément chauffant et le dit élément métallique aient une même constitution et soient réalisés par un même procédé d'application sur le substrat. Dispositif de chauffage comportant un dispositif de mesure température conforme à l'une des revendications précentes et un système contrôle d'alimentation (17) permettant d'effectuer une régulation température de l'élément chauffant caractérisé en ce qu'il est composé de deux générateurs de signaux alternatifs d'amplitude differente (50, 51) connectes l'élément chauffant par l'intermédiaire d'un commutateur (52) permettant passer de à l'autre selon que l'on doit chauffer ou non l'élément. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que moyens mesure (54) comportent un amplificateur (54a) et un convertisseur analogique-numérique (54b) connectés pour convertir un signal provenant dudit agencement capacitif en informations numériques représentatives de température de l'élément chauffant. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce comporte un circuit principal de traitement (55) pilotant le commutateur précité suivant une comparaison entre lesdites informations numériques représentatives de la température de l'élément chauffant et des valeurs prédéfinies stockées dans une mémoire morte (56) correspondants à valeurs maximales et minimales de température de régulation. Dispositif de fixation de toner comportant un trajet de circulation de feuilles un dispositif de chauffage auprès de ce trajet conforme à l'une quelconque revendications 7 à 9.