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Diese Erfindung betrifft allgemein
ein Farb-Schmelzfixiersystem unter Anwendung von Wärme und
Druck für
eine elektrofotografische Druckvorrichtung, und insbesondere betrifft
die Erfindung einen Schmelzfixierer mit Droop-Kompensation.
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Bei einem typischen elektrofotografischen Druckprozess
wird ein fotoleitendes Element auf ein im Wesentlichen gleichförmiges Potenzial
aufgeladen, um so dessen Oberfläche
zu sensibilisieren. Der geladene Bereich des fotoleitenden Elementes
wird belichtet, um die darauf befindlichen Ladungen in den bestrahlten
Bereichen selektiv zu dissipieren. Dadurch wird ein latentes elektrostatisches
Bild auf dem fotoleitenden Element aufgezeichnet. Nachdem das latente
elektrostatische Bild auf dem fotoleitenden Element aufgezeichnet
wird, wird das latente Bild entwickelt, indem ein Entwicklermaterial
damit in Kontakt gebracht wird. Im Allgemeinen umfasst das Entwicklermaterial
Tonerpartikel, die triboelektrisch an Trägerteilchen haften. Die Tonerpartikel
werden von den Trägerteilchen
entweder auf eine Donorwalze oder auf ein latentes Bild auf dem
fotoleitenden Element angezogen. Der von einer Donorwalze angezogene
Toner wird dann auf einem elektrostatischen, latenten Bild auf einer
ladungshaltenden Oberfläche
abgelagert, welche für
gewöhnlich
ein Fotorezeptor ist. Das Tonerpulverbild wird dann vom fotoleitenden
Element auf ein Kopiersubstrat übertragen.
Die Tonerpartikel werden erhitzt, um das Pulverbild permanent auf
dem Kopiersubstrat anzubringen.
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Um das Tonermaterial auf dem Trägerelement
mittels Hitze permanent aufzubringen oder zu schmelzen, ist es erforderlich,
die Temperatur des Tonermaterials auf einem Punkt zu erhöhen, bei
der die Bestandteile des Tonermaterials klebrig werden und sich
verbinden. Dies bewirkt, dass der Toner in einem gewissen Ausmaß auf die
Fasern oder Poren des Trägerelementes
fließt
oder andernfalls auf dessen Oberflächen. Wenn danach das Tonermaterial
abkühlt,
tritt eine Verfestigung des Tonermaterials auf, was bewirkt, dass
das Tonermaterial fest mit dem Trägerelement verbunden ist.
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Ein Ansatz, um Bilder aus Tonermaterial
auf Trägersubstrate
thermisch aufzuschmelzen, war, das Substrat mit dem darauf befindlichen,
nicht geschmolzenen Tonerbild zwi schen einem Paar von gegenüberliegenden
Walzenelementen durchzuführen, von
denen wenigstens eines intern geheizt wird. Während des Betriebs eines derartigen
Schmelzfixiersystems wird das Trägerelement,
auf dem die Tonerbilder elektrostatisch anhaften, durch den Spalt bewegt,
der zwischen den Walzen gebildet wird, wobei das Tonerbild die erhitzte
Fixierwalze kontaktiert, um so das Aufheizen des Tonerbildes zwischen
dem Walzenspalt zu bewirken. Bei einer spaltbildenden Fixierwalze
(NFFR = Nip Forming Fuser Roll), wird die aufgeheizte Fixierwalze
mit einer Schicht oder Schichten ausgestattet, die durch eine härtere Anpresswalze
deformierbar sind, wenn die zwei Walzen gegeneinander gepresst werden.
Die Länge
des Spaltes bestimmt die Verweildauer oder Zeitdauer, die die Tonerpartikel
in Kontakt mit der Oberfläche der
aufgeheizten Walze verbleiben.
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Die aufgeheizte Fixierwalze ist gewöhnlich die
Walze, die das Tonerbild auf einem Substrat, wie z. B. einem einfachen
Papier, kontaktiert. In jedem Fall ist die Walze, die das Tonerbild
kontaktiert, gewöhnlich
mit einem abhäsiven
(niedrige Oberflächenenergie)
Material versehen, um zu vermeiden, dass Toner auf das Schmelzelement übertragen
wird. Drei Materialien, die üblicherweise
für solche
Zwecke verwendet werden, sind PFA, VitonTM und
Silikonkautschuk.
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Wenn eine spaltbildende Fixierwalze
(NFFR) aus dem Bereitschafts-Betriebsmodus (Standby) in den aktiven
Betriebsmodus übergeht,
und die Energie erhöht
wird, die an den inneren Heizer der Fixierwalze angelegt wird, so
strömt
die Wärme
nicht schnell genug zur äußeren Oberfläche der
Fixierwalze, um deren Temperatur auf die gewünschte Fixiertemperatur zu
bringen. Dieses Phänomen
wird als Droop (to droop = ermatten, erlahmen) bezeichnet. Alle
NFFR-Schmelzeinrichtungen, die industriell hergestellt werden, weisen
das Droop-Phänomen
auf, wenn die thermische Last zunimmt.
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Aufgrund der thermischen Trägheit des Kerns
der Fixierwalze kann eine innen vorgesehene Lampe das Droop-Phänomen nicht
vermeiden. Bei monochromatischen (d. h. nur einfarbigen Bildern) Fixiervorrichtungen,
bei denen Droop auftritt, ist die Auswirkung auf die Kopierqualität für den Kunden nicht
sichtbar oder bemerkbar. Beim Fixieren von Farbbildern beeinträchtigt die
Fixierwalzentemperatur das Erscheinungsbild der Kopie. Dadurch können der
Glanz und die Farben von Farbbildern nachteilig durch das Droop- Phänomen beeinflusst
werden. Daher ist es wichtig, dass alle Schmelz-/Fixiervorgänge bei
einer im Wesentlichen konstanten Fixierwalzentemperatur durchgeführt werden.
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Die Aufgabe dieser Erfindung ist
es, eine NFFR-Farb-Fixiervorrichtung bereitzustellen, bei der das
Droop-Phänomen
minimiert ist.
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Die US-A-4,567,349 offenbart eine
Hitze- und Druckschmelzvorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern
auf einem Substrat. Die Vorrichtung ist durch die Tatsache gekennzeichnet,
dass ein Silikonöltrennmittel,
das für
gewöhnlich
bei solchen Geräten erforderlich
ist, nicht notwendig ist. Das Schmelzelement, das die Tonerbilder
kontaktiert, weist eine äußere Schicht
aus festem abhäsiven
Material auf, das in der Lage ist, diese Eigenschaft beizubehalten, ohne
dass es während
der Lebensdauer der Vorrichtung zu einer Verschlechterung dieser
Eigenschaft kommt. Das Schmelzelement ist so konstruiert, dass die
abhäsive
Beschichtung zur Bildung des Spalts, der zwischen dem Schmelzelement
und einer Stützwalze
gebildet wird, beiträgt.
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Die US-A-4,197,445 offenbart eine
Wärme- und
Druckwalzen-Schmelzvorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern auf
Kopiersubstrat, wobei der Toner thermoplastisches Harz umfasst.
Die Vorrichtung weist eine beheizte Fixierwalze auf, die mit einer Backup-
oder Druckwalze zusammenwirkt, um einen Spalt zu bilden, durch den
Kopiersubstrate mit vergleichsweise hoher (d. h. 12–20 Inch/s,
300–500 mm/s)
Geschwindigkeiten passieren, wobei die Bilder die beheizte Walze
kontaktieren. Die beheizte Fixierwalze ist gekennzeichnet durch
eine vergleichsweise dicke (d. h., 10 mil oder mehr, 0,25 mm oder mehr) äußere Schicht
oder Oberfläche,
die beispielsweise aus einem hochgradig isolierenden Material gebildet
wird, wie z. B. Silikonkautschuk oder Viton, das mit einem niederviskosen
polymeren fluidem Trennmittel versehen wird. Das Erhöhen der
Temperatur der beheizten Walze während
einer Bereitschafts- oder Aufwärmphase
wird durch ein im Inneren vorgesehenes Heizelement bewirkt, während ihre
Betriebstemperatur während
des aktiven Betriebs durch einen externen Heizer erreicht wird.
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Eine weitere spaltbildende Fixierwalzenstruktur
mit einem internen und einem externen Heizer ist aus der EP-A-0314099
bekannt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst eine spaltbildende Fixierwalzenstruktur zum Fixieren von
Farb-Tonerbildern auf ein Substrat ein Kernelement, eine verformbare äußere Schicht,
die an dem Kernelement haftet, eine erste Wärmequelle, die innerhalb des
Kerns angeordnet ist, eine zweite Wärmequelle, die außerhalb
des Kerns und an die verformbare äußere Schicht angrenzend angeordnet
ist, und einen Temperatursensor, der die Oberflächentemperatur der verformbaren äußeren Schicht überwacht,
und ist gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die die erste
Wärmequelle
während
einer Bereitschafts-Betriebsart (Standby-Modus) auf einem ersten
konstanten Energiepegel und während einer
Lauf-Betriebsart (aktiver Betriebsmodus) auf einen zweiten konstanten
Energiepegel, der über
dem ersten konstanten Energiepegel liegt, betreibt und die zweite
Wärmequelle
auf einem variablen Energiepegel betreibt, um eine Oberflächentemperatur der
verformbaren äußeren Schicht
während
der Lauf- und Bereitschafts-Betriebsarten
entsprechend der Temperatur von allein der verformbaren äußeren Schicht,
die mit dem Temperatursensor überwacht wird,
auf einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten.
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Eine spezielle Ausführungsform
einer NFFR-Struktur gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, bei welchen:
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1 ein
Temperatur-Zeit-Diagramm ist, welcher das Droop-Phänomen wiedergibt,
das eine herkömmliche
Schmelzvorrichtung aufweist;
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2 ein
Zeit-Leistungs-Diagramm ist, welches das Droop-Phänomen wiedergibt,
das eine herkömmliche
Schmelzvorrichtung aufweist;
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3 ein
Temperatur-Zeit-Diagramm ist, das die Wirkungen der vorliegenden
Erfindung zur Vermeidung des Droop-Phänomens wiedergibt;
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4 ein
Zeit-Leistungs-Diagramm ist, für den
Fall, dass eine konstante Leistung an eines von zwei Heizelementen
angelegt ist und die variable Leistung an das andere der zwei Heizelemente;
und
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5 eine
schematische Darstellung einer Heiz- und Druckwalzen-Schmelzvorrichtung
ist, bei der die vorliegende Erfindung integriert ist.
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5 offenbart
eine mehrlagige spaltbildende Fixierwalzenstruktur (NFFR), die generell
durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet wird. Die Schmelzvorrichtung
umfasst eine beheizte Walzenstruktur 12, die mit einer
nicht-beheizten Abstützwalzen-Struktur 14 zusammenwirkt,
um einen Spalt 16 zu bilden, durch den ein Kopiersubstrat 18 mit
darauf gebildeten Tonerbildern in einer wohlbekannten Art und Weise
passiert. Tonerbilder 20, die auf einem Endsubstrat 18 aufgetragen
sind, kontaktieren die beheizte Walzenstruktur während eine Kraft zwischen den
Walzenstrukturen in einer wohlbekannten Art und Weise angelegt wird,
um einen Druck dazwischen zu erzeugen, was zur Deformation der beheizten
Fixierwalzenstruktur durch die unbeheizte Druckwalzenstruktur führt, um
dadurch den Spalt 16 zu bilden.
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Wenn ein Substrat 18 aus
dem Spalt 16 herauskommt, schält es sich für gewöhnlich selbst
ab, mit Ausnahme von sehr leichten Substraten. Diese Substrate werden
vom Schmelzspalt über
eine nicht-gezeigte Papierführung
weggeführt.
Nach dem Separieren von der Fixierwalze sind die Substrate frei,
um sich entlang eines vorbestimmten Pfads in Richtung des Ausgangs
der Maschine (nicht gezeigt) zu bewegen, in welcher die Schmelzvorrichtung 10 verwendet
wird.
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Ein Kontakttemperatursensor 24 ist
vorgesehen, um die Oberflächentemperatur
der Walzenstruktur 12 zu messen und in Zusammenarbeit mit
herkömmlichen
Schaltungen die Oberflächentemperatur auf
einem vorbestimmten Wert zu halten, z. B. in der Größenordnung
von 375–400°F (190–205°C). Die beheizte
Walzenstruktur 12 umfasst einen starren Kern oder Hohlzylinder 26,
der in seinem Hohlraum einen abstrahlenden Quarzheizer 28 aufweist.
Eine deformierbare äußere Schicht 30 kann
VitonTM oder Silikonkautschuk umfassen,
die an dem Kern 26 in einer wohlbekannten Art und Weise
angebracht sind. Die äußere Schicht
kann eine Dicke in der Größenordnung
von 10– 150
mil (0,25–3,75
mm) aufweisen.
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Da die äußere Schicht 30 nicht
ausreichend abhäsiv
ist, hat es sich als wünschenswert
herausgestellt, diese Schicht mit einem Trennmittel 36 zu
beschichten, das in einer Wanne 38 vorgesehen ist. Das
Mittel 36 umfasst ein Trennmittel auf Polymerbasis, wie
z. B. Silikon, Mercapto oder Aminosilikonöl.
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Zum Zwecke des Beschichtens der beheizten
Walzenstruktur 12 ist ein Trennmittel-Managementsystem (RAM) vorgesehen, das
im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 40 bezeichnet wird.
Der Mechanismus 40 umfasst eine Donor-Walze 42,
eine Dosierwalze 44, eine Rakel 46 und ein Dochtmaterial 48.
Die Dosierwalze 44 ist teilweise in das Trennmittel 36 eingetaucht
und ist rotierbar gelagert, so dass es mit der Donor-Walze 42 in
Kontakt gelangt und weiter so gelagert ist, dass sie mit der beheizten
Walzenstruktur 12 in Kontakt gelangt. Wie ersichtlich ist, sind
die Walzen 42 und 44 so orientiert, dass sie einen
Pfad bilden, um Material 46 aus der Wanne zur Oberfläche der
beheizten Walzenstruktur 12 zu leiten. Die Dosierwalze
ist bevorzugt eine Nickel- oder verchromte Stahlwalze mit einem
4–32 AA-Oberflächenzustand.
Die Dosierwalze hat einen äußeren Durchmesser
von 1,0 Inch (25 mm). Wie oben erwähnt, wird die Dosierwalze drehbar
gelagert, so dass Drehung über
die positiv angetriebene beheizte Walzenstruktur 12 über die
drehbar gelagerte Donor-Walze 42 bewirkt wird.
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Das Dochtmaterial 48 ist
vollständig
in das Trennmittel eingetaucht und kontaktiert die Oberfläche der
Dosierwalze 44. Der Zweck des Dochtmaterials ist es, ein
Luftsiegel bereitzustellen, das die Luftschicht stört, welche
sich auf der Oberfläche
der Walze 44 während
deren Rotation bildet. Ohne die Funktion de Dochtmaterials würde die
Luftschicht koextensiv mit der Oberfläche der in das Trennmittel
eingetauchten Walze sein, wodurch der Kontakt zwischen der Dosierwalze
und dem Trennmittel verhindert werden würde.
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Die Rakel 46 ist vorzugsweise
aus Viton hergestellt und weist einen Querschnitt von 3/4 × 1/8 Inch
(19 × 3
mm) auf und eine Länge,
die gleich groß wie
jene der Dosierwalze ist. Die Kante der Rakel, die die Dosierwalze
kontaktiert, hat einen Radius von 0,001–0,010 Inch (0,025–0,25 mm).
Die Rakel bewirkt, dass die durch die Walze 44 aufgenommene Trennmittelmenge
eine vorbestimmte Dicke aufweist, wobei die Dicke eine solche Größe aufweist,
dass im Endergebnis einige Mikroliter von Trennmittel pro Kopie
verbraucht werden. Die Donor-Walze 42 hat einen äußeren Durchmesser
von 1,0 Inch (25,4 mm), wenn der äußere Durchmesser der Dosierwalze
1,0 Inch (25,4 mm) ist. Es versteht sich von selbst, dass andere
Dimensionierungen ebenfalls zufriedenstellende Ergebnisse liefern
können.
Zum Beispiel wurden Walzen mit einem Durchmesser von 1,5 Inch (38 mm)
für die
Donor- und Dosierwalzen verwendet. Die deformierbare Schicht 49 der Donor-Walze
umfasst bevorzugt eine Silikonkautschuk-Beschichtung. Jedoch wurden
auch andere Materialien verwendet.
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Die Andruckwalzenstruktur 14 umfasst
einen vergleichsweise dicken Kern 50 aus starrem Metall, auf
welchem eine vergleichsweise dünne
Elastomerschicht 52 aufgeklebt ist, die z. B. aus Silikonkautschuk
besteht. Die Schicht 52 kann nochmals mit einer dünnen Schicht
aus PFA (Perfluoroalkoxy-Harz) beschichtet sein. Aufgrund der Konstruktion
der Andruckwalze deformiert sie die deformierbare Schicht 30 der
beheizten Walzenstruktur, wenn zwischen diesen der erforderliche
Druck angelegt wird, wobei der Druck ein Funktion der gewünschten
Deformation ist, welche der gewünschten
Länge des
Spalts 16 entspricht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
dient das Heizelement 28 dazu, die Temperatur der Walzenstruktur 12 unter
Verwendung einer Energiequelle 54 zu erhöhen. Der
Betrieb der Energiequelle 54 bei einer konstanten Leistungsabgabe
an das Heizelement wird über
eine Steuervorrichtung 56, einen Magnetschalter 58 und
den Temperatursensor 24 gesteuert.
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Eine externe Wärmequelle umfasst eine Lampe 60 und
einen Reflektor 52, die gegenüberliegend der deformierbaren äußeren Oberfläche 30 vorgesehen
sind, um thermische Energie gemäß den Absichten
und Intentionen der vorliegenden Erfindung abzustrahlen. Über eine
Energiequelle 46 und einen Magnetschalter 46 wird
variable Leistung an die Lampe 60 geliefert. Der Betrieb
der Energiequelle 64 wird unter Verwendung der Steuervorrichtung 56 und
des Temperatursensors 24 gesteuert.
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Die Datenaufnahme, Datenspeicherung
und Berechnung, die auf den vom Temperatursensor ausgelesenen Daten
und den Maschinenbetriebszuständen
basieren; die bei dieser Erfindung involviert sind, liegen innerhalb
der Fähigkeiten
von gegenwärtigen und
zukünftigen
Maschinensteuerungen auf Mikroprozessorbasis.
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Wenn das Quarz-Heizelement 28 über die Energiequelle 54 und
den Magnetschalter 58 mit Energie versorgt wird, strahlt
dieses Heizelement Wärme
auf den Strahlenkern 26 ab, von wo sie dann zur äußeren Oberfläche einer äußeren deformierbaren Schicht 30,
die auf dem Strahlenkern 26 aufgeklebt ist, geleitet wird.
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Beim Betrieb einer herkömmlichen
NFFR-Schmelzfixiervorrichtung hält
das Heizelement 28 die Fixierwalzenoberfläche auf
einer Bereitschaftstemperatur von etwa 385°F, was in 1 mit dem Bezugszeichen 72 bezeichnet
wird. Während
des Bereitschaftszustands (Standby) wird die Temperatur des Kerns 26 durch
das Bezugszeichen 70 dargestellt. Während eines aktiven Modus steigt
die Kerntemperatur auf einen Wert an, der mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet
wird. Jedoch ist dieser Anstieg nicht stark genug, um die Oberflächentemperatur
der Schicht auf der erforderlichen Schmelztemperatur zu halten.
Die Temperatur der Oberfläche
der äußeren Schicht
fällt signifikant
auf etwa 335°F
(168°C),
wie durch das Bezugszeichen 76 angezeigt wird. Dieser Temperaturabfall
ist der Droop-Effekt, der bei herkömmlichen Schmelzvorrichtungen
auftritt. Die eingespeiste Leistung gegenüber der Zeit ist in 2 für eine solche Schmelzvorrichtung
aufgetragen.
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Gemäß der Erfindung wird der Droop-Effekt minimiert,
indem die externe Wärmequelle 60 zusammen
mit der internen Wärmequelle
verwendet wird, so dass die Oberflächentemperatur im Wesentlichen auf
der Bereitschaftstemperatur von 385°F (196°C) bleibt. Seine Leistungsaufnahme
ist, anders als beim Heizelement 28, nicht konstant. Im
Gegenteil ist die an die Quelle 60 angelegte Leistung nur
für den Zweck
vorgesehen, die Oberflächentemperatur
der Schicht 30 auf der gewünschten Schmelztemperatur zu
halten. Es muss daher unter Verwendung der Lampe nur solange Wärme erzeugt
werden, bis die Kerntemperatur auf einem Niveau ist, bei dem die Oberflächentemperatur
allein unter Verwendung der inneren Wärmequelle auf der Betriebstemperatur
gehalten werden kann. Wie anhand von 3 ersichtlich
ist, ist die Oberflächentemperatur
der Schicht 30 während
der Bereitschafts- und Betriebsmodus dieselbe, wie durch das Bezugszeichen 80 angezeigt
ist. Ferner ist anhand von 3 ersichtlich,
dass die mit dem Bezugszeichen 82 bezeichnete Kerntemperatur beträchtlich
höher als
die Kerntemperatur 84 ist, und zwar aufgrund des gemeinsamen
Wirkens der zwei Wärmequellen.
Bezugnehmend auf 4 ist
ferner ersichtlich, dass die Leistung, die durch (a) das Heizelement 28 geliefert
wird, konstant ist, sobald ihr Sollwert erreicht wird, während die
Leistung (b), die an die Lampe 60 geliefert wird, gegen
Null geht, wenn die Kerntemperatur einen Wert erreicht, bei dem
die Fixierwalzenoberfläche
allein unter Verwendung des internen Heizers auf der gewünschten
Temperatur gehalten werden kann.