Brevet FR2805706A1 — publié le 20010831

L'invention a pour objet un élément linéaire de chauffage. Elle vise notamment mais non exclusivement un élément linéaire de chauffage pour une unité de fixation d'image, c'est-à-dire pour la mise en oeuvre du procédé électrophotographique pour la fixation d'une encre appelée toner transférée d'un tambour photo-sensitif sur une feuille de papier. Dans ce procédé connu d'électrophotographie, le toner (c'est une encre à base de poudre de carbone) est transféré sur la feuille papier puis fondu grâce à l'apport de chaleur effectué par un élément chauffant et de cette façon fixé sur la feuille de papier. Le procédé électrophotographique a de nombreuses applications, notamment dans le domaine bureautique, dans les copieurs, imprimantes laser, les unités d'impression pour télécopieurs, etc... II existe toutefois d'autres applications faisant intervenir des éléments linéaires de chauffage, par exemple les appareils de scellement de poches matériaux thermoplastiques. Pour permettre la réalisation d'une unité de fixation d'images compacte légère, et pour permettre une montée rapide de la température de l'élément chauffage jusqu'à sa température de service, l'élément de chauffage, a longtemps eu la forme d'un tube contenant lampe halogène, a remplacé par un élément linéaire de chauffage comprenant une bande résistive fixée sur un substrat isolant. Un tel élément linéaire de chauffage est décrit, notamment, dans le brevet US-5068517. Il y est enseigné de réaliser filament de l'élément chauffant à partir d'une bande de pâte d'argent/palladium ou similaire, imprimée sur un substrat en céramique, en alumine par exemple. Le tout est ensuite cuit pour former finalement une résistance linéaire chauffante. Cette résistance, généralement de faible épaisseur, peut être amenée presque instantanément à la température nécessaire à la fixation du toper par application d'un courant aux deux extrémités de la résistance. C'est pourquoi un élément linéaire de chauffage est utilisé dans les unités de fixation pour procédé électrophotographique, en raison de sa compacité, mais aussi en raison du fait qu'il présente un faible temps d'attente après le début passage du courant. Plus précisément, les éléments linéaires chauffage du type précité sont composés d'un substrat isolant en céramique de forme parallélépipédique allongée (sa longueur est très supérieure à sa largeur, qui est très supérieure à son épaisseur), d'un filament formé d'une bande chauffante déposée sur le substrat, et de deux électrodes conductrices recouvrant partiellement chaque extrémité de cette bande chauffante. La résistance est généralement protégée par une couche vitreuse électriquement isolante. De tels éléments linéaires de chauffage font actuellement partie d'unités de fixation incorporées dans des copieurs, pour fixation d'images sur feuille papier. L'unité de fixation comporte en outre un film protecteur qui se déplace sans sur une face, appelée face active, de l'élément chauffant, convoyé par rouleaux d'entraînement. Une feuille de papier sur laquelle une image a formée mais non fixée, se déplace suivant un trajet de feuille, dans une direction transversale à l'élément de chauffage, à la même vitesse que le film (pour ne pas risquer d'étaler le toper qui se trouve sur la face de papier qui en contact avec ce film), cette feuille étant maintenue contre l'élément chauffage par un rouleau de pression. L'image est fixée sur le papier par chaleur transmise par l'élément chauffant au travers du film, pendant le mouvement de la feuille. filament constitué par la bande chauffante en matériau résistif est le plus souvent disposé sur la face active du substrat de manière à générer la chaleur au plus près de l'endroit où elle est utile. Lorsque dans un copieur, la réalisation d'une ou plusieurs copie(s) est commandée, un cycle thermique se produit : le filament voit sa température augmenter depuis l'ambiante jusqu'à une valeur maximale pendant une durée qui peut aller quelques secondes à quelques minutes selon les copieurs. A une température supérieure à la température de fusion du toner, les particules de celui-ci fondent et sont fixées sur le papier. La montée élevée et rapide de température génère une différence d'expansion thermique entre les matériaux présents : le filament, son substrat et une éventuelle couche intermédiaire. La nature du substrat (ou de la couche intermédiaire) confère en pratique à celui-ci (ou à celle-ci) une dilatation plus importante la dilatation du filament, et ce dans toutes les directions du matériau. contraintes thermiques apparaissent alors dans le filament : un cisaillement produit le long des bords longitudinaux, et des contraintes de traction sont générées dans la bande longitudinale centrale (donc entre ces bords). La forme du substrat génère également une force qui pousse le filament perpendiculairement au plan du substrat vers l'extérieur de pièce (parallèlement sens de l'épaisseur). Ainsi, un troisième déplacement, perpendiculaire aux précédents, apparaît au milieu du filament. ailleurs, lorsqu'une ou des copies sont réalisées, ledit film de protection l'unité de fixation d'image est animé d'un mouvement uniforme au cours duquel il glisse sur l'élément linéaire de chauffage, en sorte d'entraîner la ou les feuilles) de papier tout en protégeant cet élément contre l'usure par le papier. Ce film glisse et frotte sur la face avant ou active de l'élément linéaire de chauffage, laquelle présente souvent des arêtes, ainsi que sur le filament lorsqu'il réalisé sur cette face active (il a déjà été indiqué que c' un cas très fréquent). Ce type d'élément linéaire de chauffage présente un certain nombre défauts. Concernant le phénomène de cycles thermiques, la différence nature des matériaux est à l'origine du principal problème qui est l'expansion thermique différentielle pendant les variations de température. Lorsque matériaux constituant l'élément linéaire de chauffage (filament et substrat) coefficients de dilatation thermique éloignés, les différences d'expansion sont à l'origine d'une fatigue thermique qui, à long terme, peut générer rupture du filament :les déplacements verticaux induits dans ce filament par dilatation de son substrat auquel il est fixé sont en effet trop importants en reférence à la résistance à la traction du matériau constitutif du filament et provoquent une fissuration dans la zone longitudinale centrale puisque celle-ci sollicitée régulièrement par les cycles thermiques. L'expansion thermique est également à l'origine d'un cisaillement le long des bords longitudinaux du filament, étant rappelé que celui-ci a une epaisseur très inférieure à celle du substrat. En ce qui concerne le film de protection, il a déjà été proposé, pour minimiser les phénomènes de frottement et d'abrasion liés à son mouvement glissement, de recouvrir le filament d'un verre ou d'un vernis quelconque, mais la mise en place de ce revêtement engendre une étape de fabrication supplémentaire et donc un coût additionnel. L'invention vise à pallier les inconvénients précités en donnant filament et à son substrat une géométrie propre à leur permettre - d'une part, une dilatation des matériaux sans que cela génère trop grand déplacement perpendiculaire au filament, qui serait susceptible de conduire à une rupture ; - d'autre part, un mouvement du film de protection sans frottement nocif sur le filament. L'invention propose à cet effet un élément linéaire de chauffage comportant un substrat allongé selon une direction longitudinale, ayant une surface avant ou active destinée à être en regard, directement ou indirectement d'une zone à chauffer, et un filament formé d'une couche d'un matériau résistif disposé sur le substrat le long de cette direction longitudinale, caractérisé ce que le substrat comporte, dans sa face active, une rainure ménagée longitudinalement, au fond de laquelle le filament est réalisé, en sorte d'être en retrait par rapport à cette surface active. Cette disposition en retrait du filament, par rapport à la surface active du substrat, garantit, d'une part que la chaleur générée par le filament à proximité immédiate de la zone où l'on souhaite l'utiliser, sans toutefois risquer que ce filament puisse être dégradé par tout élément qui viendrait glisser le long du substrat. Dans la mesure où l'homme de métier sait comment réaliser une rainure dans un substrat sans laisser subsister d'arêtes en saillie, fait que le filament soit sur la face active, mais en retrait par rapport à celui-ci, permet un glissement aisé d'un film de protection prévu au sein d'une unité de fixation d'images le long du substrat. II n'est généralement pas nécessaire de donner au filament disposé au fond de la rainure une grande épaisseur. II est toutefois avantageux le filament occupe sensiblement toute la surface du fond de cette rainure. Cela permet d'optimiser, pour une quantité donnée de matériau résistif, la surface rayonnante. Le filament peut être réalisé par toute technique connue appropriée, par exemple par sérigraphie ou selon la technologie des couches minces ou épaisses. La rainure a avantageusement un fond concave, avec pour conséquence que le filament a lui aussi une forme concave. Avantageusement, cette forme concave a une section semi-elliptique. Une telle géométrie, aussi bien pour le substrat que pour le filament, apporte plusieurs avantages - cela diminue les contraintes thermiques présentes dans les matériaux réalisant l'élément linéaire de chauffage ; - cela contribue à réduire le déplacement perpendiculaire au substrat, induit dans le filament par la dilatation du substrat lors des montées en température ; - cela permet de minimiser le cisaillement le long des bords longitudinaux du filament; - cela évite la formation de fissures dans la zone longitudinale centrale du filament subissant la fatigue thermique ; - cela permet d'améliorer la tenue en fatigue et la résistance en température de l'élément linéaire de chauffage. La rainure peut, dans sa totalité, avoir une section semi elliptique. Toutefois, si l'on souhaite augmenter le retrait du filament par rapport à la surface active du substrat, on peut choisir pour la rainure une section formée d'une portion de fond semi-elliptique longée par une bande section rectangulaire ou trapézoïdale, bordée par des flancs parallèles ou non raccordant cette portion de fond semi-elliptique à la surface active du filament. Un rapport de l'ordre de 10 à 20 % entre la profondeur de la rainure et sa largeur s'est révélée conduire à des résultats tout à fait satisfaisants du point de vue thermique. Le filament est par exemple réalisé en nickel, sur un substrat en matériau thermoplastique résistant aux hautes températures. II s'agit par exemple de Nylon Polyamide (PA66) , de Polyphtalamide (PPA) ou encore de résine phénolique. Lorsque le matériau constitutif du substrat est suffisamment isolant des points de vue thermique et électrique, aucune couche de séparation n'est nécessaire entre le filament et ce substrat. Par ailleurs, dans la mesure où le filament est disposé en retrait par rapport à la surface active du substrat, il n'est pas non plus nécessaire de prévoir une couche externe de protection. L'invention concerne également un dispositif de fixation de toner comportant un châssis, des moyens de transfert de feuilles définissant un trajet de feuilles et un élément linéaire de chauffage solidaire du châssis ou faisant partie intégrante du châssis et disposé transversalement auprès du trajet de feuilles, les moyens de transfert de feuilles comportant un film glissant sur l'élément linéaire de chauffage le long de ce trajet de feuilles, cet élément linéaire de chauffage étant du type précité. manière préférée, de la graisse est (de façon connue en soi) utilisée pour lubrifier la surface du film qui glisse sur l'élément linéaire chauffage; rainure sert alors de réserve pour cette graisse tandis que cette dernière réalise un très bon transfert thermique entre le filament et ce film. objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif en regard dessins annexés sur lesquels figure 1 est une vue en coupe transversale d'un élément chauffant lineaire classique ; figure 2 est une vue de dessus d'un élément linéaire chauffage conforme à l'invention ; figure 3 est une vue en coupe transversale, selon la ligne coupe A-A la figure 2 de cet élément linéaire de chauffage ; figure 4 est un graphe représentant les amplitudes déplacements existant dans la partie longitudinale centrale de l'élément linéaire de chauffage, dans une configuration classique et dans la configuration l'invention, pour deux couples de matériaux constitutifs du substrat, d'une et du filament, d'autre part ; la figure 5 est un graphe représentant les amplitudes contraintes de cisaillement existant sur les bords longitudinaux du filament, pour les mêmes configurations et les mêmes couples de matériaux qu'à figure 4 ; la figure 6 est une vue schématique partielle d'une unité de fixation de toper comportant un autre élément linéaire de chauffage conforme a l'invention ; - la figure 7 en est une vue agrandie représentant la zone contenant le filament; - la figure 8a est une vue agrandie de la section de la rainure que comporte le dispositif des figures 2 et 3 ; - la figure 8b en est une variante de réalisation correspondant à une rainure moins profonde ; et - la figure 8c est une variante de réalisation correspondant à une rainure, dont le fond a le même profil que celui de la figure 8b, mais qui est plus en retrait par rapport à la surface active du substrat. La figure 1 représente un élément linéaire de chauffage classique, repéré 10, constitué d'un substrat 11 sur lequel se trouve un filament chauffant 12. Une couche intermédiaire de séparation 13 est fréquemment disposée entre le substrat et le filament. Des zones de contact électrique repérées 15A et 15B sont disposées aux extrémités du filament, pour permettre la connexion de ce filament à un circuit électrique d'alimentation. De manière également classique, une couche protectrice externe 17 recouvre le filament 12. Les figures 2 et 3 représentent par contre un élément linéaire de chauffage conforme à l'invention. Cet élément linéaire de chauffage comporte un substrat 11 en une matière avantageusement polymérique (en pratique un materiau thermoplastique résistant à haute température, ou un matériau composite), et une bande résistive chauffante 12, par exemple réalisée en nickel, appelée filament par commodité. Ce substrat comporte une face active (ici la supérieure) destinée à venir en regard, directement ou indirectement d'une zone à chauffer (cela ressortira plus clairement des figures 6 et 7). Selon l'invention, dans cette face active du substrat est ménagee une rainure ou encoche 14, ici de forme demi-elliptique. Le filament ménagé dans cette rainure, en retrait par rapport à la surface active substrat. A titre d'exemple, le substrat 11 a une longueur d'environ 260 une épaisseur de l'ordre de 2,5 mm ; la rainure 14 a une profondeur maximale de 250 pm ; la largeur du filament est de 1,5 mm et son épaisseur, avantageusement uniforme, est de l'ordre de 2 à 3 pm. On peut noter que largeur du filament est ici sensiblement égale à celle de l'encoche ou rainure ; en d'autres termes, le filament occupe sensiblement toute la surface de fond de la rainure 14. Ce filament peut etre déposé au fond de la rainure 14 du substrat par tout procédé connu approprié, choisi notamment en fonction du matériau constitutif du filament. II peut s'agir d'un procédé par sérigraphie, ou d'une procédé de dépôt de couches minces. Dans l'exemple considéré, dans lequel le matériau constitutif du filament est le nickel, ce filament est déposé par un procédé de couches minces, que la métallisation sous vide (dépôt physique de vapeur), procédé connu sous l'appellation anglaise de "Physical Vapor Deposition" ou un procède type MID correspondant aux initiales de l'expression anglaise "Molded Interconnect Device", de métallisation tridimensionnelle sur pièces plastiques obtenues par injection. Dans l'exemple considéré, les portions terminales 15A et 15B sont réalisées en même temps que l'ensemble du filament, donc par le même procédé. Deux matériaux thermoplastiques haute performance peuvent notamment être utilisés comme substrat dans un élément linéaire de chauffage conforme à l'invention. Les amplitudes déplacement induit dans le filament au cours de l'utilisation sont reportées figure 4, pour deux couples de matériaux substrat-filament. Le couple représente l'association d'un filament 12 en nickel déposé sur un substrat 11 en Nylon Polyamide (PA6fi) haute performance ; le couple 2 représente l'association d'un filament 12 en nickel déposé sur un substrat 11 Polyphtalamide (PPA). Ce graphe de la figure 4 représente le déplacement vertical maximal mesuré en mm (en ordonné) por les deux couples de matériaux précités. Ces déplacements maximaux sont mesurés à la température maximale d'utilisation (typiquement de l'ordre de 200 C), au milieu (représente en fond blanc) et sur le bord longitudinal (représenté en fond noir) du filament, dans la section transversale de la figure 3. Les résultats de la configuration classique sont confrontés à ceux obtenus selon l'invention. De par le choix des matériaux (couple 1) et grâce à la présence de l'encoche ou rainure 14, le déplacement vertical au centre du filament peut être diminué jusqu'à 41%, alors que le déplacement vertical le long des bords de ce filament n'est augmenté que de 20% (la partie la plus sollicitée et donc la plus propice à la rupture était classiquement la partie centrale ; il est donc très intéressant que les contraintes soient fortement abaissées dans la région centrale). Cette même constatation peut se faire en relation avec le couple 2. Les amplitudes des contraintes de cisaillement induites dans le filament au cours de l'utilisation sont reportées sur la figure 5 pour chacun des couples de matériaux substrat-filament définis ci-dessus. Le graphe de la figure 5 représente la contrainte de cisaillement mesuré en Mpa (en ordonné) pour les deux couples de matériaux précités. Les contraintes présentes sur le bord longitudinal du filament dont données pour, en relation avec l'orientation de la figure 2, la face inférieure ou inactive (représenté en fond noir), et la face supérieure ou active (représenté en fond blanc) du filament, est-à-dire pour les faces ce filament qui sont respectivement en contact avec le substrat et avec l'air. résultats de la configuration classique sont confrontés à ceux correspondant à l'invention. Il s'agit, d'une part de comparer niveaux de contrainte d'une configuration à l'autre, d'autre part de mesurer différence de contrainte existant entre la face supérieure et la face inférieure du filament à proximité de ses bords longitudinaux. En ce qui concerne premier point, les amplitudes de contrainte sont sensiblement identiques ou fortement diminuées selon la face considérée : la face supérieure, c'est-a-dire la face la moins sollicitée dans les solutions connues, garde un niveau de contrainte faible dans configuration proposée par l'invention tandis que la face inférieure, celle en contact avec le substrat, fortement sollicitée dans les solutions antérieur, est le siège d'un cisaillement qui diminue, jusqu'à 83%, grâce à configuration proposée par l'invention. En ce concerne la différence contrainte au sein des bords du filament, l'invention réduit cet écart d'environ fois et ce quelque soit le couple de matériau envisagé. La figure 6 représente l'environnement immédiat élément linéaire de chauffage conforme à l'invention, au sein d'une unité fixation de toner. Cette unité de fixation de toner comporte essentiellement un châssis, représenté sous forme schématique sous la référence 1, des moyens de transfert de feuilles définissant un trajet feuilles (la référence 18 représente une feuille en train de suivre ce trajet) un élément linéaire de chauffage désigné sous la référence générale 1 solidaire du châssis et disposé transversalement auprès du trajet de feuilles. Les moyens de transfert de feuilles comportent un film 16 glissant face active de l'élément linéaire de chauffage, le long de ce trajet de feuilles. moyens de transfert de feuilles comportent également un rouleau 20 d'arbre Z sensiblement fixe par rapport au châssis, ainsi que des rouleaux représentés d'axes parallèles à Z-Z contribuant au guidage en mouvement ce film 16. Comme dans l'exemple de realisation représenté aux figures 2 et 3, l'élément linéaire de chauffage 10' de figure 6 comporte un substrat ayant une face active dans laquelle une rainure ménagée, une bande de matériau résistif désignée sous la référence génerale 12' étant réalisée au fond de cette gorge ou rainure. La seule différence.. présente cet élément linéaire de chauffage 10' par rapport à l'élément linéaire de chauffage représenté sous la référence 10 aux figures 2 et 3 est que substrat de cet élément linéaire de chauffage au lieu d'être plan (avec donc une section rectangulaire), a une forme en U. Plus précisément, ce substrat 1 comporte une portion de fond qui, localement auprès du filament 12, est assimilable à une portion plane, et deux ailes verticales raccordées à cette portion fond pour constituer la forme en U. II faut toutefois bien comprendre présence des ailes ne gêne en aucune manière les performances indiquees ci-dessus à propos d'un substrat tel que celui représenté aux figures 2 et La feuille de papier repérée (ou tout autre support) circule de droite à gauche. Dans sa portion droite, feuille de papier porte des particules de toper non fixées, désignées sous référence 19A, tandis que, après franchissement de la zone d'appui ménagée par la surface active de l'élément linéaire de chauffage et la surface du rouleau d'appui 20, ces particules de toper sont fondues et définitivement fixées après refroidissement. II est intéressant de noter, et cela ressort tout particulièrement de la figure 7, que le film 16 ne vient pas en contact avec le filament 12' réalisé au fond de la gorge 14'. Ce film 16 n'est en contact avec l'élément linéaire de chauffage que par des zones du substrat situé part et d'autre de la rainure. Bien entendu, il est utile, lors de la réalisation la rainure, de ne pas laisser subsister d'arêtes disposées en saillie, mais ménager plutôt des zones arrondies facilitant le glissement sans abrasion film, lorsque l'élément est placé en configuration opérationnelle. En pratique, de la graisse est, de façon connue en soi, appliquée sur la face interne film 16 ; cette graisse s'accumule dans la rainure (qui forme ainsi reserve) tout en assurant un bon transfert thermique entre le filament et film. L'intérêt de la configuration U conférée au substrat 11' de l'élément linéaire de chauffage des figures 6 est que ce substrat peut avoir, malgré une épaisseur assez faible, rigidité suffisante pour assurer le positionnement précis du filament auprès du trajet feuilles, en coopération avec le rouleau 20. On dit dans ces conditions l'élément linéaire de chauffage est structural, c'est-à-dire qu'il n'a besoin d'un support qui le longe sur toute sa longueur pour en assurer positionnement précis, sans flexion intempestive susceptible de nuire à une bonne fixation du toner. La figure 8a représente sous forme agrandie section de la rainure 14 de l'élément linéaire de chauffage des figures 2 et : cette rainure a une profondeur de l'ordre de 250jim, étant rappelé le filament 12 ménagé au fond de cette rainure a une épaisseur typiquement de l'ordre de quelques gm, et que ce n'est que pour des raisons de visibilité ce filament a été représenté avec une épaisseur aussi importante. rainure a une forme globalement semi-elliptique, c'est-à-dire que sa section correspond à une demi- ellipse, dont le grand axe est sensiblement tangent à la surface active du substrat 11. La figure 8b représente une variante réalisation où la rainure 14, qui a toujours une section semi-elliptique, a toutefois une profondeur moindre, de l'ordre de 150 pm. La figure 8c quant à elle représente une autre variante de réalisation, correspondant à une profondeur sensiblement égale à celle de la figure 8a, par réalisation d'une rainure dont le fond a une section semi-elliptique similaire à celle de la figure 8b c'est-à-dire avec une contribution de 150 l_Lm la profondeur totale de la rainure, des bords verticaux raccordant cette portion de fond semi-elliptique, sur une hauteur de l'ordre de 100 gm, à la surface active superieure du substrat 11. nombreuses autres variantes peuvent bien sûr être proposées. même, d'autres applications de l'élément linéaire de chauffage sont possibles, pour fixer une encre d'une autre nature ou, dans un autre domaine, pour des opérations de soudure, par exemple pour sceller pochettes plastiques. REVENDICATIONS Elément linéaire de chauffage comportant un substrat (11,11') allongé selon une direction longitudinale, ayant une surface avant ou active destinée à etre en regard, directement ou indirectement, d'une zone à chauffer, et un filament (12,12') formé d'une couche d'un matériau resistif disposé sur le substrat long de cette direction longitudinale, caracterisé en ce que le substrat ,11') comporte, dans sa face active, une rainure (14,14')ménagée longitudinalement, au fond de laquelle le filament est réalise, en sorte d'être en retrait par rapport à cette surface active. Elément selon la revendication 1, caracterisé en ce que le filament occupe sensiblement toute la surface du fond de rainure (14,14'). Elément selon la revendication 1 ou revendication 2, caractérise en ce que la surface de fond de la rainure 14') est concave et de section semi-elliptique. Elément selon la revendication 3, caracterisé en ce que cette surface fond est raccordée à la surface active du substrat (11,11') soit directement, soit par des parois latérales. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que le rapport entre la profondeur et largeur de la rainure est de l'ordre de 10 à 20%. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat (11,11') est réalisé en un matériau thermiquement et électriquement isolant et le filament 12') est directement appliqué le substrat. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le filament est essentiellement formé de nickel et le substrat en un matériau thermoplastique. Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le filament est directement exposé l'air ambiant. Dispositif de fixation de toner comportant un châssis (10), des moyens transfert de feuilles définissant un trajet pour de feuilles (18) et un élément lineaire de chauffage (11, 11') solidaire du châssis ou faisant partie intégrante châssis, disposé transversalement auprès du trajet de feuilles, moyens transfert de feuilles comportant un film (16) glissant sur l'élément linéaire chauffage le long de ce trajet de feuilles, cet élément linéaire chauffage etant conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8. Dispositif de fixation de toner selon la revendication caractérisé en ce que la rainure est remplie d'une graisse destinée à lubrifier film.