(57)【要約】【課題】定着ロール又は定着ベルトの幅全体に渡って温度の均一性が得られる等温化プリンタ構造体を提供する。【解決手段】定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つと、少なくとも４５０ワット／メートル‐℃の軸方向の熱導電率を有するグラファイトを含んだ等温化ロールとを備え、等温化ロールは、定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つと物理的に接触する、画像を印刷媒体に転写するためのシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を印刷媒体に転写するためのシステムであって、
定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つと、
少なくとも４５０ワット／メートル‐℃の軸方向の熱導電率を有するグラファイトを含んだ等温化ロールと、
を備え、
前記等温化ロールは、前記定着ロール／ベルト及び前記加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つと物理的に接触する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
画像を印刷媒体に転写するためのシステムであって、
定着ロール／ベルトと、
加圧ロール／ベルトと、
前記定着ロール／ベルトの高温領域から該定着ロール／ベルトの低温領域へ熱を移動するように適合されたグラファイト等温化構造体と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項３】
画像を印刷媒体に印刷する方法であって、
定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトを備えたプリンタを準備し、
グラファイト等温化構造体を準備し、
印刷中、前記グラファイト等温化構造体を用いて、前記定着ロール／ベルトの高温領域から該定着ロール／ベルトの低温領域に熱を移動させる、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
定着ロール・システムにおいてロール温度の均一性を維持することは、長い間プリンタ設計者の懸案事項であった。定着ロールの幅に沿った温度は、とりわけ様々な幅の印刷媒体用に設計されたシステムにおいては、過度に変動する可能性があり、印刷品質に悪影響を及ぼす可能性がある。短辺送り用紙で多数のコピーを印刷した後に、長辺送り用紙で印刷することもまた、低下したプリンタ性能を生じ得る。定着ロールとしてヒートパイプを用いることは、そのような温度均一性の問題を解決するための既知の技術である。しかしながら、ヒートパイプは閉鎖システムであり、内部に熱を加えることが難しいために、ヒートパイプの定着ロールの設計における複雑さの問題が生じ得る。定着ロールの一端の加熱は、サブシステムの構造を単純化するように実行することができるが、加熱端での偶発的な熱流束を生じる可能性がある。低質量で、“瞬時オン”又は急速ウォームアップの定着ロール・システムにおいては、定着ロールの低い軸方向伝導性は、通常の定着システムよりも大きな熱不均一性をもたらす。瞬時オン・システムにおいては、一般的に、水又は水・アルコール混合液のような少量の流体を含むヒートパイプを用いて、定着システム・ロールの高温領域からより低温領域へ、より急速に熱を移動させることが好ましい。幾つかのヒートパイプ・システムには、ヒートパイプ内に流体を維持するのにファイバ吸上げデバイスが組み込まれている。この最少量の流体の構成では、ヒートパイプのエバポレータが乾燥する可能性がある。より複雑な内部構造を用いて流体をポンプ注入するシステムも知られており、エバポレータの乾燥を防ぐのに用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
定着ロール／加圧ロール・システムにおける低エネルギー使用要件は、定着ロールの熱質量を最小限にすることによって満たすことができる。温度均一性は、加熱エレメントの輪郭及び設計によって満たすことができる。通常、これらのシステムは、市場で最も多く使用される媒体のサイズ及び重量の付近で最適化される。しかしながら、多様な媒体サイズ及び重量が使用されており、これが定着ロール軸に沿った温度不均一性の一因となる可能性がある。温度不均一性に関与する別の要因は、加熱ランプ及び定着ロールから、例えば軸受及び支持構造物への、伝導及び対流による熱損失である。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
画像を印刷媒体に転写するためのシステムの一実施形態は、定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つを備え、そして、少なくとも４５０ワット／メートル‐℃の軸方向熱伝導率を有する天然又は人工グラファイトを含んだ等温化ロールをさらに備える。等温化ロールは、定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つと物理的に接触する。
【０００４】
画像を印刷媒体に転写するためのシステムの別の実施形態は、定着ロール／ベルト、加圧ロール／ベルト、及び定着ロール／ベルトの高温領域から定着ロール／ベルトの低温領域へ熱を移動させるように適合させたグラファイト等温化構造体を備える。
【０００５】
別の実施形態は、画像を印刷媒体上に印刷する方法を用いるもので、定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトを備えたプリンタを準備するステップを含む。また、グラファイト等温化構造体も準備する。グラファイト等温化構造体を用いることにより、印刷中、熱は、定着ロール／ベルトの高温領域から、定器ロール／ベルトの低温領域に移動する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１の実施形態による、等温化ロールを備えたプリンタ部分の実施形態の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による、等温化ロールを備えたプリンタ部分の実施形態の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による、等温化ロールを備えたプリンタ部分の実施形態の断面図である。
【図４】プリンタ定着ロールの幅に沿った温度を均一にするために用いられる、種々の本発明の構造体及び従来の構造体を比較する熱プロファイルを示すグラフである。
【図５】本発明の第４の実施形態による、等温化構造体を備えたプリンタ部分の実施形態の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態による、等温化構造体を備えたプリンタ部分の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
適切な温度が定着ロールの表面全域で均一に維持されるとき、トナーは最も均一に用紙に定着する。本発明の種々の実施形態において、等温化構造体を用いることにより、熱は定着ロールの高温領域から低温領域に移動する。等温化構造体はグラファイトを含み、定着ロール全域で熱を移動させることが好ましい。種々の実施形態において、等温化構造体を定着ロールに直接接触させることができ、又は、種々の他の構造体に接触させて、その表面全域で均一な温度を有する定着ロールの表面を生じることができる。
【０００８】
他の実施形態においては、ベルト定着器を備えたシステムの加圧ロールに接触する同様の構造体が用いられる。この構造体は、加圧ロールの高温領域からより低温領域へ熱を移動させ、次にこの加圧ロールがベルト定着器に接触して、ベルト定着器の表面全域でより均一な温度を生じる。
【０００９】
図１は、プリンタ・システムの部分１０を備えた本発明の第１の実施形態を示す略断面図である。部分１０は、定着ロール１２、適合加圧ロール１４、及び等温化ロール１６を備える。使用する際、等温化ロール１６は、印刷中に定着ロール１２と係合して、定着ロール１２の高温領域から低温領域へ熱を移動させる。
【００１０】
種々の幅の用紙に印刷するのに用いられる従来のシステムにおいては、定着ロールは、両端部でより高温となり、中間部でより低温となる可能性がある。これは、例えば、最大印刷可能幅よりも狭い幅を有する用紙に印刷するときに起る可能性がある。さらに、短辺送り用紙で多くのコピーを印刷した後で、長辺送り用紙に印刷することが、低下したプリンタ性能を生じる可能性がある。図１の実施形態の使用の際に、等温化ロール１６は定着ロール１２と係合して、定着ロールの高温領域から低温領域へ熱を移動させる。等温化ロールは、定着ロール１２の表面全域を均一に加熱するように、軸方向に高い熱伝導率を有する材料から製造することが好ましい。従って、等温化ロール１６は、例えば定着ロール１２の端部から過剰な熱を受取り、この熱が等温化ロールの長さに沿って軸方向に伝わり、定着ロール１２の低温領域に移動させられる。
【００１１】
種々の実施形態において、等温化ロール１６は、天然又は人工グラファイトの中実シャフトとすることができる。天然グラファイトシャフトは、結晶質片状グラファイト（即ち“一次グラファイト”）、非晶質グラファイト（即ち“メタ無煙炭”）、又は塊（鉱脈）グラファイトを含むことができる。人工グラファイトシャフトは石油製品から製造することができ、炭素をグラファイトに転換するのに熱処理を必要とし、そして、グラファイトファイバ、グラファイトチューブ、グラファイト強化複合物（特にグラフェン強化複合物）、ナノチューブなどを含むことができる。これらの天然及び人工材料は、軸方向に高い熱伝導率を有する。本発明の目的のために、軸方向に”高い熱伝導率“を有する材料は、少なくとも１５０ワット／メートル‐℃（Ｗ／ｍ‐℃）の面内熱伝導率を有する任意の材料とする。天然グラファイトの軸方向熱伝導率は約４５０Ｗ／ｍ‐℃である。天然グラファイトシャフトの面内熱伝導率は、同様の寸法の中実アルミニウム・シャフトよりも約２．２倍大きく、それ故に、定着ロールの長さに沿って高温領域から低温領域へ熱を再分配するのにより効率が良い。加えて、アルミニウム・シャフトと比較すると、グラファイトシャフトはその１．５倍小さい熱容量のために、アルミニウム・シャフトと同じ熱質量を有する構造体を生じるのに約１．５倍大きな、より広い断面積を有するように製造することができる。従って、そのようなグラファイトシャフトの熱伝導率は、等価な熱質量を有する等価なアルミニウム・ロールよりも３．３倍大きいことになる。
【００１２】
中実天然グラファイトシャフトは、熱が、用紙経路の外部の高温領域から低温の用紙経路領域へ流れることを可能にし、用紙の背面を加熱して用紙とトナーが定着するのを支援することになる。さらに、用紙経路の外部の高温領域が冷却されて定着ロールの表面全域のより均一な温度プロファイルをもたらすことになる。
【００１３】
例示的な実施形態により、等温化ロール１６は、約１０ｍｍと約２４ｍｍの間、例えば約１８ｍｍの直径を有することができ、定着ロールの全長に沿って定着ロール１２と接触する。別の実施形態において、等温化ロール１６は、定着ロールの全長よりも短い距離で接触することができるが、一般的には、定着ロールの長さの半分よりも長い距離で接触する。一実施形態において、グラファイトシャフトは、最大幅の印刷可能媒体と等しい幅を有することができる。別の実施形態においては、グラファイトシャフトは、露光される定着ロールの幅と等しい幅を有することができる。等温化ロール１６と定着ロール１２の間の接触の高さは（図１に示す）、約０．００１ｍｍと約４．０ｍｍの間にすることができる。より大きな接触面積が、定着ロール１２の温度均一性を向上させることになる。
【００１４】
長さ３３ｃｍ及び直径１８ｍｍを有する中実天然グラファイトシャフトは、当技術分野で既知の技術によって製造することができる。例えば金型形成パッキングリング及び種々のガスケットを作成するためのような、天然グラファイト製造法がよく知られている。天然グラファイト製品は、例えばカリフォルニア州アーバイン所在のＳａｎｇｕｉｎｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社、又は中国山東省所在のＱｉｎｄａｏ  Ｄｕｒａｔｉｇｈｔ  Ｓｅａｌｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔ社から購入することができる。
【００１５】
図２は、等温化ロール１６が加圧ロール１４に接触する実施形態を示す。等温化ロール１６は、加圧ロールの表面全域の温度を均一化することになる。次いで、定着ロール１２との直接的な接触により、又は印刷媒体（図示せず）を介する定着ロール１２との間接的な接触により、加圧ロールは、定着ロール１２の表面全域の温度を一様にするのに用いられる。図２の実施形態は図１の実施形態よりも効率が低くなりそうであるが、印刷コマンドを受け取った後の印刷開始時間の遅延を必要とせずに、定着ロール１２の均一性を増すことができる。
【００１６】
用紙のような印刷媒体上に画像を印刷するためのプリンタのウォームアップ及び使用の間、中実グラファイトシャフトは、定着ロール及び／又は加圧ロールに対して回転して定着ロールの高温領域から低温領域へ熱を移動させることになる。グラファイトシャフトが定着ロールに接触する場合、熱は、定着ロールの高温領域から低温領域へ、グラファイトシャフトにより直接移動される。グラファイトシャフトが加圧ロールに接触する場合、初めに加圧ロールの温度を一様にし、次に加圧ロールが定着ロールの温度を一様にすることにより、熱が間接的に移動される。等温化ロール１６は、加圧ロール１４との接触及びその温度制御により、定着ロールの均一な温度の維持を間接的に支援することになる。
【００１７】
他の実施形態において、等温化ロールは、例えばアルミニウム製の中空金属スリーブを含むことができ、このスリーブは等温化ロールのコアとして中実天然グラファイトシャフトを収容する。３ｍｍ厚のアルミニウム・スリーブ内に収容される１２ｍｍの中実グラファイトコアから形成される、外径１５ｍｍを有する等温化ロールは、直径１８ｍｍの中実グラファイトシャフトと同様の熱質量を有するロールを与えることになる。厚さ３ｍｍ及び直径１５ｍｍのアルミニウム・スリーブは機械加工可能であり、中実グラファイトコアは、先の実施形態の技術を用いて製造することができる。
【００１８】
アルミニウム・スリーブを有する中実天然グラファイトシャフト及びグラファイトコアの両方は、ヒートパイプよりも安価になると考えられる。いずれも、ヒートパイプより僅かに低下するだけの機能を与えることになる。現在の技術により、天然グラファイトシャフトはヒートパイプの費用の約２０％しか費用がかからないと見積られ、また密閉流体の使用を避けるので、信頼性を向上させることになろう。上記の天然グラファイトコア及びアルミニウム・スリーブを備えたシャフトは、中実シャフトと同様の費用及び信頼性の向上をもたらすであろう。
【００１９】
ベルト定着システムはまた、種々の幅の媒体に印刷するよう構成される。狭幅の媒体に印刷するとき、ベルトの縁は、最適温度よりも高い温度に加熱することができる。同様に、ベルトの中央に向かって温度は、トナー定着中の印刷された媒体への熱移動の結果として、最適温度より低い温度まで冷える可能性がある。
【００２０】
図３は、ベルト定着プリンタ・システムの部分３０を備えた、本発明の別の実施形態を示す。図３は、セラミック基板３４内に形成された付着加熱層３２を示し、基板３４はベルト定着器、例えば瞬時オンのベルト定着器のベルト３６と接触する。印刷部分３０は、加圧ロール３８、及び加圧ロール３８に接触する等温化ロール１６をさらに含む。使用に際して、付着加熱層３２はセラミック基板３４を加熱し、次に基板３４がベルト３６を加熱する。ベルト３６と加圧ロール３８の間の押圧は、付着加熱層３２からセラミック基板３４を通してベルト３６に移動した熱と共同して、印刷媒体４２にトナー４０を定着させる。使用中、先の実施形態による、中実天然グラファイトシャフト又はアルミニウム・スリーブ付グラファイトシャフトであることが好ましい等温化ロール１６は、加圧ロール１６の高温領域から低温領域へ熱を移動させる。次いで、加圧ロールが、定着ロールの高温領域から低温領域へ、特にベルトの幅全域にわたって熱を移動させ、ベルト定着器システムの改善された印刷をもたらす。
【００２１】
このように、図３のシステムは、用紙経路外部の高温領域から、用紙経路の低温領域へ熱を交換し、これが印刷媒体の背面の加熱を向上させて印刷媒体へのトナーの定着を支援するように働く。さらに、用紙経路外部の高温領域が冷えて、ベルトの幅、加熱装置及び加圧ロールに沿って、より均一な温度プロファイルが達成される。
【００２２】
等温化ロールをベルトと接触させることは、ベルトからエネルギーを引き出しことになり、実質的にウォームアップ時間とエネルギー要件を増すことになる。加圧ロールと接触する等温化ロールを備えた図３に示すシステムは、従って、エネルギー要件とウォームアップ時間を減らす。
【００２３】
図４は、定着ベルトの幅全域に渡って温度の均一性を向上させる試みに用いられた、加圧ロールと接触する種々の材料のシミュレーションによって作成されたグラフを示す。明記された軸方向位置は、定着ロールの外側縁に対するものである。さらに、１６０ｍｍ及び１３５ｍｍにおける２つの低下は、隣接した、個別に制御されたヒータ・セグメントの間の１ｍｍの隙間を表すものでが、このヒータ・セグメントはベルトの幅全域に渡って改善された熱均一性をもたらすように、従来の瞬時オンのベルト定着器システムに用いることができるものである。
【００２４】
図４のグラフに示すように、等温化ロールを含まない基準線４４は、用紙経路内で、ベルトの中央領域に、許容可能なレベルの均一性を与える。しかしながら、温度は、用紙経路外部の両端、特に軸方向位置３００ｍｍにおいて急変化する。図４のグラフに示された等温化ロールは、効率が増加する順番に、外径１５ｍｍの中実アルミニウム・シャフト４５、１５ｍｍの外径を有する１．５ｍｍ厚のアルミニウム・スリーブを有するグラファイトコアを与える１２ｍｍの中実グラファイトシャフト４６、外径１８ｍｍの中実天然グラファイトシャフト４７、及び外径１５ｍｍの液体充填ヒートパイプ４８、を含む。
【００２５】
図４に示した等温化ロールのうちで、ヒートパイプ４８が最良の均一性を与える。しかし、加圧ロールに接触した中実天然グラファイトシャフト４７は、多くの場合、ヒートパイプよりも僅かに均一性が劣るだけの許容可能な温度プロファイル、及びヒートパイプの約１／５の見積り費用で、向上した信頼性を与える。
【００２６】
中実グラファイトシャフトに加えて、１．５ｍｍ厚のアルミニウム・スリーブを有する１２ｍｍのグラファイトコアを備えた等温化ロールは、外径１５ｍｍの等温化ロールを形成し、１８ｍｍ直径の中実グラファイトシャフトよりも僅かに劣るだけの熱均一性を、中実天然グラファイトシャフトと同様の費用で与える。
【００２７】
他の構成を有するグラファイト構造体を備えた種々の付加的な実施形態もまた企図される。例えば図５及び図６は、各々、先の実施形態による、定着ロール１２及び加圧ロール１４を備えたプリンタ・システムの一部分１０を示す。図５はさらに、図５に示した面積を超えて、定着ロール１２に接触する天然グラファイト“シュー”を示す。同様に、図６は、定着ロールと接触する天然グラファイトスリング６０を示す。接触面積が大きくなるほど、グラファイト“シュー”又はスリングは均一なプロファイルを達成するのにより効率的になる。
【００２８】
提案された実施形態の他の示唆される用途は、（ａ）加熱部材、例えばロール、ベルト又はプレートのような用紙予熱構造体、（ｂ）ドラム、例えば固体インクジェット・プリンタ内の加熱ドラム、及び（ｃ）放出オイル加熱装置、を含む。
【００２９】
このように、種々の実施形態が、等温化構造体を備えないシステムに比べて、定着ロールの表面全域の温度の均一性を向上させる等温化構造体を提供する。加えて、種々の実施形態が、ヒートパイプよりも安価な等温化構造体を提供する。さらに、種々の実施形態は、ベルト・ベースのシステム及びロール・ベースのシステムと共に使用することができるので、本出願は、定着ロール又は定着ベルトのいずれか（即ち“定着ロール／ベルト”）、或いは、加圧ロール又は加圧ベルト（即ち“加圧ロール／ベルト”）と共に使用できる構造体を列挙することができる。
【００３０】
一実施形態において、画像を印刷媒体に転写するためのシステムは、等温化ロールを備えることができ、ここで等温化ロールは加圧ロール／ベルトに物理的に接触し、定着ロール／ベルトとは物理的に接触しない。
【００３１】
別の実施形態において、画像を印刷媒体に転写するためのシステムは、等温化ロールを備えることができ、ここで等温化ロールは定着ロール／ベルトと物理的に接触し、加圧ロール／ベルトとは物理的に接触しない。等温化ロールは、中実グラファイトシャフトを収容する中空アルミニウム・スリーブを備えることができる。中空アルミニウム・スリーブは、定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つに接触することができる。
【００３２】
さらに別の実施形態において、画像を印刷媒体に転写するためのシステムは、グラファイト等温化構造体を備えることができ、この構造体は定着ロールの輪郭に適合する輪郭を有する円弧型シートを有することができ、定着ロールと接触する。グラファイト等温化構造体は可撓性スリングとすることができる。
【００３３】
またさらに別の実施形態において、画像を印刷媒体に転写するためのシステムは、中実グラファイトシャフトとすることができるグラファイト等温化構造体を備えることができる。中実グラファイトシャフトは、約１５ｍｍと１８ｍｍの間の直径を有することができる。中実グラファイトシャフトは、定着ロール／ベルト及び加圧ロール／ベルトのうちの少なくとも１つに接触することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０：プリンタ・システムの一部分
１２：定着ロール
１４：加圧ロール
１６：等温化ロール
３０：ベルト定着プリンタ・システムの一部分
３２：加熱層
３４：セラミック基板
３６：ベルト
３８：加圧ロール
４０：トナー
４２：印刷媒体
４４：基準線
４５：中実アルミニウム・シャフトのグラフ
４６：中実グラファイトシャフトのグラフ
４７：中実天然グラファイトシャフトのグラフ
４８：液体充填ヒートパイプのグラフ
５０：天然グラファイトシュー
６０：天然グラファイトスリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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