感应加热使用铁磁性层的可加热熔合器元件的系统和方法

摘要

一铁磁性层，以粘合、或涂覆或其它方式施加在用于在图像形成装置中熔合干调色剂的可加热熔合器元件的表面上。基于在铁磁性层暴露于由流过感应线圈或其它类似装置的电流所形成的磁场中时所表现出的高磁滞损耗，所述铁磁性层改善了可加热熔合器元件的感应生热。适合于铁磁性层的材料是那些在所施加的磁场中表现高耦合效率的材料。结果是导致可加热熔合器元件的基本上可控制的、均匀的发热，以将干调色剂熔合在图像接收介质的图像承载表面之上或之中。

说明书

技术领域

本发明涉及在图像形成装置中将调色剂熔合在图像接收介质上的系统和方法。

背景技术

在图像形成装置中，传统上采用各种系统和方法将调色剂颗粒熔合在各种图像接收介质的图像承载表面上。通常，这些系统和方法包括可用于熔化和施压干调色剂的热压表面，从而将图像熔合在图像接收介质上，在图像承载表面之上或之中形成图像的一个之前的步骤中，所述干调色剂被沉积在图像接收介质的图像承载表面上。

在图像形成装置中，典型的用于将干调色剂熔合在图像接收介质的图像承载表面之上或之中的传统系统和方法包括：例如，使用通常称为热辊熔合装置的装置来提供可用于将调色剂熔化和施压在图像接收介质的图像承载表面之上或之中的热压表面。在图1中以示范方式示出了这种热辊熔合装置100。如图1所示，所述热辊熔合装置100包括一加热熔合器辊110和一相对的施压辊120，两个辊110、120分别沿箭头115和125所示的方向旋转。所述加热熔合器辊110由具有圆柱状表面130的空心管构成，所述空心管在其端部可由端盖135闭合，如图所示，所述端盖可具有通孔。加热熔合器辊110包含以发热元件140形式存在的热源。

可用于加热该加热熔合器辊110的圆柱状表面130的典型加热元件140为，例如石英棒或灯。加热熔合器辊110的圆柱状表面130可由硬金属或其它刚性高热传导性物质构成，且可选择地包括一外热传导性涂层，例如，特氟隆等。加热熔合器辊110的构造的目的是将发热元件140产生的热量通过加热熔合器辊110的圆柱状表面130传导到接收介质200上，从而之前被沉积在图像接收介质200的图像承载表面上的调色剂可以被熔化和施压，从而熔化于其上。

沿着加热熔合器辊110的发热区域的整个轴向长度进行均匀的可控制加热是理想的，以避免由于在图像接收介质的图像承载表面上的干调色剂的加热不充分、加热变化或过度加热而导致的任何图像质量变劣。

为了进一步便于热辊熔合装置100中的熔合过程，增加施压的第二元件，以补充通过加热熔合器辊110的圆柱状表面130施加的热量的第一元件，所述第二元件包括与加热熔合器辊110相对的施压辊120。施压辊120典型地是由柔软外层，例如，硅、橡胶或硅橡胶壳体构成。施压辊120紧紧地压靠在加热熔合器辊110上。施压辊120上的柔软表面在施压辊120和加热熔合器辊110之间提供额外的表面对表面接触，由于与仅仅在两个硬辊相互接触处的与每个辊相切的单条线相比较，施压辊120的柔软表面与加热熔合器辊110的发热圆柱状表面130更好地进行有限配合。通过使施压辊120的接收介质200任一侧与相对的加热熔合器辊110接触，这种发热施压辊表面的有限配合增加了接收介质200上的任意给定点与产生在热辊熔合装置100中的热量和压力的接触。较两个辊110、120之间的单条切线分布更广的压力有利于待熔化和印刷的调色剂的受热和受压，从而将调色剂熔合在图像接收介质200的图像承载表面之上或之中。

通过使调色剂熔化并同时迫使熔化的调色剂进入图像接收介质200的图像承载表面之中，这种传统系统有利于将调色剂熔合在接收介质200上。在一定限度下，施压辊120越软，施压辊120的表面与加热熔合器辊110的发热表面130的配合越好，从而在两个辊110、120之间形成稍微较大的接触区域。该接触区域通常称为压区。

为了提升最高质量图像形成和/或复制，在借助热量和压力将调色剂熔合在图像接收介质上的图像形成装置中，理想的是在加热熔合器辊110的圆柱状表面130的整个轴向长度上提供可控制的、均匀的热量，从而获得在图像接收介质200的图像承载表面上的均匀热量和压力。进一步理想的是，将加热熔合器辊110的温度控制在一个范围内，确保提供用于熔化调色剂的足够热量，从而将调色剂熔合在图像接收介质200的图像承载表面之上或之中，但也确保不提供可能损害图像质量、损坏图像或图像接收介质200或损坏图像形成装置中的热辊熔合装置100的过多热量。

维持沿着加热熔合器辊110的整个圆柱状表面130的均匀轴向温度已被证明难于在传统的例如在图1中以示范方式示出的热辊熔合装置100中实现。维持沿着加热熔合器辊110的整个圆柱状表面130的均匀温度的失败会损害图像质量，这是因为调色剂熔化的无效情况会发生在相对较冷的位置处，且图像变形和/或图像偏移会发生在相对较热的轴向位置处。

在努力克服这些缺点的过程中，采用了各种系统和方法。为了制造其圆柱状表面130具有高的且均匀的导热性的加热熔合器辊110，需对形成加热熔合器辊110的材料进行仔细选择，这就限制了能够制造这种加热熔合器辊110的材料的选择。在对形成加热熔合器辊110的导热材料的选择上的另一个限制在于需考虑减少加热熔合器辊110的总热质量，以便使加热熔合器辊110达到确保熔化调色剂的足够工作温度的预热时间最小化。

或者是，应对特别是在适应各种宽度的图像接收介质200的图像形成装置中的温度不均匀性的一种方法是，在单个图像形成装置中提供多个各种宽度的热辊熔合装置100(例如在图1中以示范方式示出的)，或者在单个热辊熔合装置100中包含多个可以选择性地加热特定部分的加热熔合器辊的发热元件140。这种内置式冗余虽然能有效地提高图像质量，但具有增加图像形成装置的复杂性的缺点。例如这种复杂性的增加将不利地影响图像形成装置的制造成本和/或与装置的维护有关的成本和/或与由这种装置形成的图像有关的成本。

相同发明人且共同转让的美国专利申请第10/749284号全文被包含在本文中作为参考。该专利申请文件公开了一种改进的热辊熔合设备和热辊熔合方法。10/749284号申请中公开的发明目的是通过提供沿着整个轴向长度均匀且可控制地发热的加热熔合器元件，至少克服上文例举的缺点。该目的是这样实现的，即，将基本上同轴的电线圈引入到加热熔合器元件，并在加热熔合器元件的至少一端周围或附近定位，另外所述线圈适合于与熔合器元件感应耦合，从而当为电线圈供电时为熔合器元件感应加热。10/749284号申请试图通过使用热管(即容纳工作流体的密封空腔)来保证均匀的轴向加热。这种工作流体可以有选择地是水、甲醇或它们的组合，或者另一种适合的工作流体成液相和与其保持平衡的相应汽相的多相混合态。使用这种工作流体虽然对于提供均匀的轴向加热来说更好，但增加了复杂性和潜在的所公开的加热熔合器元件的使用可靠性，例如，要求为所述加热熔合器元件装备卸压系统，以防超压。

10/749284号申请所公开的系统和方法实现了增大关于可制造加热熔合器辊或热管的材料的选择范围。例如，公开了导电磁畴壁管和导电非磁畴壁管。应当注意的是，典型的使用水作为工作流体的热管由铜或铜镍合金材料构成。这些材料虽然显示出高的导电性，但可能不是最适合于支持感应加热。

另外，典型的是提供一种超温传感器，该传感器可用于引起自动减缓期或冷却期，或者是在图像形成装置内最终完全中断处理。这种超温传感器的目的是限制主要是由于热辊熔合装置中的不受控制或异常过热状况所引起的损坏图像、图像接收介质或图像形成装置的可能性。

授予Terada等人的美国专利6021303号的说明书全文被包含在本文中作为参考，该专利给出了如下教导：通常图像加热装置包括圆柱状发热辊和借助交变磁场磁化所述发热辊的内部磁化线圈。该专利介绍了一个原理，即，通过为磁化元件选择一居里温度，所述发热辊温度被自动调节，以便稳定在适合于将调色剂熔化在图像接收介质的图像承载表面上的温度。具体而言，单层或多层发热辊包括作为覆盖熔化辊的整个横跨式的可加热区域的单层或多层中的一层的磁性合金。为了在所公开的发热辊或发热元件的整个横跨式发热区域上保持均匀的加热，位于发热辊内部的磁化线圈覆盖发热辊的整个横跨式发热部分。

发明内容

本发明所期望的是，简化图像形成装置的复杂性，在该图像形成装置中，示范性的热辊熔合装置100(例如图1中所示)以最大程度的可能性被容纳。增加冗余组件，并提供复杂横跨式磁感应线圈，很少能降低组件本身的复杂性，因此也很少降低它们被安装于其中的图像形成装置的复杂性。简化或免除超温传感器的需求，将进一步帮助实现图像形成装置的复杂性的整体降低。

如上文简要说明，理想的是，可能的话，在限制图像形成装置中的能耗的情况下，降低使加热熔合器辊达到恒定的轴向温度所需的预热时间，该温度对于熔化和熔合操作而言足够高。总能耗可以由许多种方式降低，例如，(1)减小加热熔合器辊的加热表面的厚度，从而减小所述辊的热质量，(2)不要求系统保持在预热(待机)状态下，和/或(3)不要求过大的功率消耗(power draw)以便于迅速加热该加热熔合器辊。从而，缩短预热时间和限制能耗的目的应当在考虑预热时间和能耗的系统和方法中最优化，且使它们彼此达到平衡。

已经发现，用铁磁性材料制造出加热熔合器辊和/或热管是困难的。这样，在致力于获得这种加热熔合器辊和/或热管的感应加热的益处的情况下，期望一种不同的手段。

在各种示范性实施例中，根据本发明的系统和方法旨在克服上文所述的不足，并进一步提高用于熔化和施压的示范性加热元件熔合装置的效率和有效性，以便在图像形成装置中将干调色剂熔合在图像接收介质的图像承载表面之上或之中。

在根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例中，用于施加磁场的一层铁磁性层或一层高耦合效率层被定位在可加热熔合器元件(例如加热熔合器辊或热管)的一部分上，且位于可加热熔合器元件与图像接收介质相接触的图像接收介质接触区域外侧。通过在外部安装感应线圈，用于施加磁场的所述铁磁性层或具有高耦合效率的层能够感应生热，从而又对所述可加热熔合器元件的图像接收介质接触区域进行加热。

在各种示范性实施例中，根据本发明的系统和方法进一步在可加热熔合器元件的一部分上设置一层可感应生热铁磁性层。该铁磁性层采取适当固体的铁磁性套筒的形式，或例如装配在可加热熔合器元件的圆柱状表面的一部分上的端盖的形式，或者采取嵌入位于例如任何适合可加热熔合器元件的芯的一部分上的导热基体中的适合铁磁性颗粒材料。(1)套筒和/或端盖与(2)颗粒材料的结合也是可行的。在各种示范性实施例中，可以对所述铁磁性材料进行选择，以便在暴露于由至少一个环绕的或毗邻的电感线圈所产生的磁场中时表现高磁滞损耗。

在根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例中，对铁磁性材料进行选择和加工，以便为可加热熔合器元件的未涂覆部分提供增强的热传导性，优选的材料是在所施加的磁场中表现高的耦合效率，从而导致可加热熔合器元件的恒定的可控制的轴向发热。

在各种示范性实施例中，根据本发明的系统和方法解决了在直接对单层可加热熔合器元件进行耦合时的RF/热能低的问题。根据本发明的系统和方法还可以免除对全跨度磁性加热熔合器元件或位于可加热熔合器元件的图像接触部分上的磁性层的需求，还可以免除对相匹配的横跨式(span-wise)加热区域磁性感应线圈的需求。结果是，根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例的可加热熔合器元件并不限于由传统上认为可以应用的狭窄范围的材料构造、制造或模制。相反，由于在以粘合、涂覆或其它类似方式施加到可加热熔合器元件的表面上的图像接收介质与可加热熔合器元件相接触的横跨式加热区域外侧的部分横跨式铁磁性层上产生热量，因而可应用于制造可加热熔合器元件的芯的适用材料的范围较广。

在根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例中，通过拓宽能够制造可加热熔合器元件的材料范围，就可以在限制与预热有关的能耗的情况下，实现轴向温度的均匀化和预热期间的缩短。通过对能够制造成薄且坚硬的可加热熔合器元件的材料进行选择，就可以在使质量最优化的情况下提供上述能力。

在根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例中，通过在可加热熔合器表面的整个轴向长度上保持恒定的、可控制的温度均匀性，例如，将温度变化限制在小于或等于约5℃，就可以实现图像质量的提高。

在各种示范性实施例中，通过使用由具有高于使用在图像形成装置中的干调色剂的熔点、但低于图像质量开始变劣或损坏图像、图像接收介质或图像形成装置的温度的居里温度的铁磁性材料制成的铁磁性层，根据本发明的系统和方法可以提供内部温度的自动控制。因为在上述铁磁性材料的居里温度之上，因此所述自动温度限制是有用的，材料损失其铁磁性性质的温度，磁滞发热过程自然而然地延续。在可加热熔合器元件中的最大温度受到限制，其结果就是可以减少和/或消除多个横跨式温度反馈传感器(通常冗余地设置在图像形成装置中)、温度控制电路、和/或通知操作者的超温报警装置的需求，或者降低了在过热条件下的图像劣化、图像损坏、图像接收介质损坏或图像形成装置损坏的可能性。

所公开的实施例的这些和其它特征及优点在下文的根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例的详细说明中已经描述或可以从中清楚地看出。

附图说明

下文将参照以下附图对根据本发明的系统和方法的各示范性实施例进行详细说明，其中：

图1示出了传统热辊熔合装置或单元的示范性实施例；

图2示出了包括根据本发明的可感应加热熔合器元件的第一示范性实施例的加热元件调色剂熔化装置或单元的一个示范性实施例；

图3为一截面图，示出了包括根据本发明的可感应加热熔合器元件的第一示范性实施例的加热元件调色剂熔化单元或装置；

图4为一截面图，示出了包括根据本发明的可感应加热熔合器元件的第二示范性实施例的加热元件调色剂熔化装置或单元。

图5为一截面图，示出了包括根据本发明的可感应加热熔合器元件的又一个示范性实施例的加热元件调色剂熔化装置或单元。

具体实施方式

为了定义和说明、清晰和熟知，下文的根据本发明的加热调色剂熔化系统和方法的各种示范性实施例的说明可涉及和/或举例说明一个或多个用于例如图像形成装置的特定类型的加热调色剂熔化单元。然而，应当理解的是，下文概括和/或讨论的本发明的原理可同样地应用于任何已知的或将来研制的调色剂熔化系统，所述系统利用热量和压力将调色剂颗粒熔化在图像接收介质的图像承载表面之上或之中，所述调色剂颗粒被预先沉积在所述图像承载表面上，从而在图像形成装置中形成图像。

示范性的图像形成装置包括但不限于：打印机、复印机、传真机、多功能图像制作和复制装置、静电印刷装置和任何其它类似装置或单元，其中，通过熔化、加热和加压中的至少一种方式将调色剂颗粒置于图像形成装置中的图像接收介质的图像承载表面之上或之中，图像就被形成或复制在图像接收介质的图像承载表面上。

应当理解，虽然下文所讨论和附图中描绘的基本上是热管或加热的/可加热熔合器辊，但根据本发明的系统和方法并不限于这种应用，而是可被等同地应用于当前可获得的或合理地被期望用于图像形成装置中的任何可加热熔合器元件。因而，本说明书所指的是可加热熔合器元件，该术语将被认为涵盖所有可预期实施例，其中可包括但不限于，辊、带或其它类似加热的/可加热熔化装置，所述装置可用于将干调色剂熔化在示范性图像形成装置中的图像接收介质的图像承载表面之上或之中。

根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例均采用铁磁性层、或具有高耦合效率的层，从而将磁场以粘合、涂覆或其它方式施加在可加热熔合器元件的表面的一部分上，或者适合于可加热熔合器元件的芯，从而基于当磁性层暴露于由流过电感线圈(例如AC电感线圈)或其它类似装置的交变电流所产生的交变磁场中时所表现的高磁滞损耗，以促进可加热熔合器元件的所述部分的感应生热。适合于铁磁性层的材料是在所施加的磁场中表现高耦合效率的那些材料。结果是，基本上可以控制可加热熔合器元件的发热。

使用根据本发明的系统和方法的各种示范性实施例可实现的其它优点可包括：沿着可加热熔合器元件的整个轴向长度基本上可控制温度的均匀性，和可加热熔合器元件的迅速预热。

在各种示范性实施例中，根据本发明的系统和方法可迅速提供精确的控制，且必然限制产生在可加热熔合器元件中的用于将调色剂熔化在图像形成装置中的图像接收介质上的热量，同时降低完成这项任务所需要的能耗，并减小由于在打印缺陷中所产生的调色剂的过度熔化而导致的图像变劣或损坏的可能性。

图2示出了加热元件调色剂熔化装置300的一个示范性实施例，该装置包括根据本发明的可加热熔合器元件310的第一示范性实施例。图3为一截面图，示出了示范性的加热元件调色剂熔化装置300，该装置包括根据本发明的可加热熔合器元件310的第一示范性实施例。如图2和3所示，所述加热元件调色剂熔化装置300包括可加热熔合器元件310和一相对的施压辊320，它们分别沿箭头315和325所示的方向旋转。所述示范性可加热熔合器元件310由空心的薄圆柱状壁332构成，该壁包括导热材料且具有圆柱状表面330。可加热熔合器元件310的两端均由端盖335密封，从而形成了一个热管，且优选的是充满热管工作流体338。

在如图2所示的加热元件调色剂熔化装置300的示范性实施例中，设置至少一个电线圈340，所述电线圈与电源相连，优选的是交流电源(未示出)。所述至少一个电线圈被设置在可加热熔合器元件310的一部分的附近，所述可加热熔合器元件310包括一铁磁性层345，该铁磁性层以粘合、涂覆或其它方式被施加或配合到可加热熔合器元件310的表面上，且位于该可加热熔合器元件310的将不与图像接收介质200的图像承载表面相接触的部分处。至少一个电线圈340和铁磁性层345的相应布置使得至少一个电线圈340与铁磁性层345感应耦合，从而当电源(优选是交流电源)被施加给至少一个电线圈340时，由于磁滞过程使得铁磁性层345感应生热。导热圆柱状表面330的发热由感应加热的铁磁性层345产生，且当存在热管工作流体时，由热管熔合器元件中的蒸发和冷凝的相变过程所保持。

所述铁磁性层345可以是或者包括，与可加热熔合器元件310的圆柱状表面330的一部分可配合的固体铁磁性套筒。或者是，所述铁磁性层345可以是或者包括，嵌入到导热基体中的适合的铁磁性颗粒状材料，所述导热基体被粘合、涂覆或者以与示范性可加热熔合器元件310的导热圆柱状表面330的一部分直接热接触的方式被施加。

被铁磁性层345覆盖的导热圆柱状表面330的一部分位于可加热熔合器元件310的将与图像接收介质200的图像承载表面相接触的区域外侧。这个部分将包括优选是小于或等于可加热熔合器元件310的轴向长度的约20％，更优选的是小于或等于可加热熔合器元件310的轴向长度的约15％。所述部分将尽可能短地与可加热熔合器元件310所允许的每单位表面积的最大发热率一致。同样地，当热管工作流体存在时间，借助由热管工作流体338的相变作用所补偿的传导加热过程，被设计成与图像接收介质的图像承载表面接触的可加热熔合器元件310的轴向长度的部分将呈现等温性。

应当理解的是，虽然如图所示至少一个电线圈340和铁磁性层345相互配合地仅设置在可加热熔合器元件310的一端，但还可以预期其它示范性实施例，其中可加热熔合器元件310的两端部分位于与图像接收基片200的图像承载表面的接触区域之外侧，且包括感应耦合电线圈340和铁磁性层345。

任选地具有相对较软外层的示范性相对的施压辊320借助所述任选的可模制的相对较软外层压靠在可加热熔合器元件310上，这种压靠至少发生在可加热熔合器元件310的将与图像接收介质200的图像承载表面相接触的部分上。两个辊会合的区域称为压区。

在工作过程中，一示范性加热元件调色剂熔化装置300接收一示范性图像接收介质200，在所述图像接收介质上，调色剂已经在示范性图像形成装置内部的一个或多个其它单元或装置(未示出)中被施加在至少一个图像承载表面上。在示范性图像形成装置的典型图像形成操作中，在输入第一示范性图像接收介质200之前，所述示范性加热元件调色剂熔化装置300被预热。可加热熔合器元件310和相对的施压辊320沿箭头315和325所示的方向旋转，从而压迫可加热熔合器元件310和施压辊320之间的图像接收介质。在这个过程中，承载调色剂的图像接收介质200被压靠在可加热熔合器元件310的均匀加热圆柱状表面330上。通过这种暴露，预先被沉积在图像接收介质200的图像承载表面上的调色剂被加热、熔化并压在图像接收介质200的图像承载表面之上或之中。来自可加热熔合器元件310的均匀加热圆柱状表面330的热量与由相对的施压辊320施加的压力在被设计用于与图像承载介质200相接触的区域中的结合，导致干调色剂被熔化和施压，从而熔合在图像接收介质200图像承载表面之上或之中。

所述铁磁性层345以示范方式由简单或复杂铁磁性合成物形成，所述合成物规定铁磁质的居里温度的选择和/或控制。所述居里温度或居里点为，当经过加热循环或过程时铁磁质损失其铁磁性特征并表现顺磁性特性而升高的温度。由于其铁磁性特性损失而获得的上述居里温度，铁磁性层345不再支持磁滞损耗。结果是，铁磁性层345的感应生热以及同时发生的示范性可加热熔合元件310的导热圆柱状表面330的发热停止，且铁磁性层345和圆柱状表面330开始冷却。当铁磁性层345中的温度降低到居里点之下时，铁磁性层345的铁磁性特性恢复，且由于磁滞损耗恢复，温度也升高。

因此，应当认识，通过为铁磁性层选择具有适合居里温度的材料，就可以维持足够的调色剂熔合，同时可以自动控制总温度。这样就减小或潜在地消除了附加的温度检测和控制装置的需求。

图4为一截面图，示出了根据本发明的包括可加热熔合元件310的第二示范性实施例的示范性加热元件调色剂熔合装置300。如图4中所示，一层铁磁性层365被置于示范性可加热熔合元件310的端部，例如，位于可加热熔合元件310的端盖上。在这种情况下，设置螺旋电线圈和/或其它平板电线圈360，以便与铁磁性层365感应相联，从而当电能被施加给螺旋或平板电线圈360时，可以发生感应生热。

应当理解，如上文所述的，为了帮助在示范性可加热熔合元件310的整个轴向长度上提供均匀温度控制，包含流体介质或多相液体和蒸汽介质是理想的，但不是必需的。在不使用工作流体的情况下，可加热熔合元件310的端部可以是提供出口的或是开口的。

另外，应当理解，根据本发明的系统和方法并不限于如图示的和上文所述的作为熔合元件的示范性实施例的示范性可加热熔合元件，而是可以将任何可加热熔合元件应用到铁磁性层可被施加的一部分，例如，辊、带或者任何其它类似可加热表面，在示范性图像形成装置中可用于将干调色剂熔合在图像接收介质的图像承载表面之上或之中。

虽然本发明已经结合上述示范性实施例被说明，但各种替代、变型、改变和/或改进，不论是公知的还是目前不可预见的，都是显而易见的。因此，如上所述的本发明的示范性实施例的意图是举例说明而非用于限定。在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种改变。因此，根据本发明的系统和方法旨在涵盖所有目前已知的或今后研制的替代、变型、改变和/或改进。