JP2006003487A

JP2006003487A - 画像形成装置

Info

Publication number: JP2006003487A
Application number: JP2004177840A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Yamane; 正光山根; Yoshinori Makiura; 義則牧浦; Masahiko Nakao; 昌彦中尾; Shigeyuki Tamano; 成徹玉野; Keiko Harada; 恵子原田; Mamoru Fujimoto; 守藤本; Yoshiharu Yano; 義晴矢野
Original assignee: Kyocera Mita Corp
Current assignee: Kyocera Document Solutions Inc
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】複雑な制御回路及び制御方法をなくしてトナー融着を回避することのできる画像形成装置を提供する。
【解決手段】未定着画像が形成された転写紙を熱定着する定着手段２と、画像形成装置１の機内を冷却する冷却ファン１０４とを有する画像形成装置１において、画像形成装置の起動／終了を設定するスイッチング手段１１０と、前記定着手段２の温度を検出する温度検出手段２４と、前記定着手段２の近傍に設けられた熱電素子１０１とを備え、前記スイッチング手段１１０の起動／終了信号及び前記温度検出手段２４の検出した定着手段温度に基づき、起動信号を検出した場合、定着手段温度が所定の第１基準温度より低いときは、前記熱電素子へ直流電圧を供給することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換して前記定着手段２を加熱し、終了信号を検出した場合、定着手段温度が所定の第２基準温度より高いときは、前記熱電素子１０１へ直流電圧を供給することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換して前記定着手段２を冷却することを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、複写機等の画像形成装置に関するものである。

従来、複写機やプリンタ或いはその複合機等の画像形成装置において加熱定着により未定着トナー像の定着を行う場合、機内の温度上昇を防止するため冷却ファンにて機内温度を下げ、現像／クリーニング装置とトナー容器等のトナー融着及び感光体等の帯電特性変化を防止している。

今日の機械は省スペース化が進んでおり、定着装置と前記のトナーを有する装置等の距離が接近する理由となっている。また、省エネ等の観点から低融点トナーを使用している。このような諸事情が影響し、電源スイッチをオフすることにより冷却ファンが停止し、定着内部の温度の過加熱（オーバーシュート）で前記のトナーを有する装置等でトナー融着が発生する。

これらの問題を回避するため、特許文献１や特許文献２に見られるように、電源スイッチをオフしてもしばらく一定時間が切れない回路、温度をモニターして所定温度以下になった場合でも電源をオフする制御、電源同期切替手段等の回路にて対応している。

また、近年省エネルギーでクリーンなエネルギー源として光及び熱等が着目され、他の機械では廃熱利用等が研究されてきているが、画像形成装置においては、特許文献３に見られるようにスキャナ光源の光及び熱を利用した技術はあるが、定着装置で発生する熱は冷却ファンにて機外へ放出されて有効利用されていなかった。
特開平７−１２１０６３号公報特開平１０−１０９５５号公報特開平８−２８９０８３号公報

しかしながら、トナー融着を回避するこれらの方法では冷却ファンを回すための電源供給及び制御回路やその制御方法が複雑になるという問題がある。さらに、電源スイッチを切っても見かけ上の電源オフであり、実際は電源が相当長い間冷却ファンが作動しているため、ユーザから見れば違和感が生じるという問題があった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、電源スイッチをオフしてから冷却ファンの回転停止までのクールダウン時間を短縮することが可能な画像形成装置を提供することを目的とする。また、電源スイッチをオンしてから定着装置が定常温度に達するまでのウォームアップ時間を短縮することが可能な画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、未定着画像が形成された転写紙を熱定着する定着手段と、画像形成装置の機内を冷却する冷却ファンとを有する画像形成装置において、画像形成装置の起動／終了を設定するスイッチング手段と、前記定着手段の温度を検出する温度検出手段と、前記定着手段の近傍に設けられた熱電素子とを備え、前記スイッチング手段の起動／終了信号及び前記温度検出手段の検出した定着手段温度に基づき、起動信号を検出した場合、定着手段温度が所定の第１基準温度より低いときは、前記熱電素子へ直流電圧を供給することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換して前記定着手段を加熱し、終了信号を検出した場合、定着手段温度が所定の第２基準温度より高いときは、前記熱電素子へ直流電圧を供給することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換して前記定着手段を冷却することを特徴とする。

また、終了信号を検出した場合、定着手段温度が第２基準温度より高いときは、さらに前記冷却ファンを回転駆動することを特徴とする。この場合、前記熱電素子により発電された電力の余剰電力を充電する二次電池を備えると、二次電池に充電された電力で前記冷却ファンを回転駆動することができる。

さらに、定着手段温度が前記第１基準温度以上である場合、終了信号を検出するまで、前記熱電素子で定着手段の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生させ、その電力にて前記冷却ファンを回転駆動することを特徴とする。

本発明によると、定着手段の近傍に設けた熱電素子に直流電圧を印加することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換することができる。従って、画像形成装置の起動時は、熱電素子の定着手段側の面で放熱し、反対の面から吸熱するように、直流電圧の極性を選ぶことで、定着手段を加熱し、ウォームアップ時間を短縮することができる。また、画像形成装置の終了時は、熱電素子の定着手段側の面で吸熱し、反対の面から放熱するように、直流電圧の極性を起動時とは反転させることにより、クールダウン時間を短縮することができる。さらに、定着手段で発生する熱で電力を発生させ冷却ファンを回転駆動することにより、今まで廃熱していた熱の有効利用ができ、これにより消費電力をより低減させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る画像形成装置の外観斜視図である。画像形成装置１の筐体内部には、感光体１１の潜像画像を現像する現像装置３〜６、前記感光体１１より用紙にトナー現像画像を中間転写体１２を介して用紙に転写させる転写装置１３、転写後の感光体１１を清掃するクリーニング装置１４及び中間転写体１２を清掃するクリーニング装置１５、未定着画像が形成された転写紙を定着する定着装置２、画像形成装置１の機内を冷却する冷却ファン１０４（図２参照）等が設けられている。また、画像形成装置の起動／終了を設定する電源スイッチ１１０が筐体の外観部に設けられている。

定着装置２は、熱ローラ２１と、熱ローラ２１に圧接する圧ローラ２２と、熱ローラ２１内に埋設された定着ヒータ２３とから構成されている。熱ローラ２１の表面部には、熱ローラ２１の温度を検出するサーミスタ２４が設けられている。定着装置２の熱ローラの上部に熱電素子１０１を配置し、この熱電素子１０１に取り付けた金属製の放熱フィン１０２を通風ダクト１０３内に配置している。なお、定着装置２の上部にはトナーを収容する各種現像装置３〜６及び対応するトナー容器（コンテナ）７〜１０が配置されており、電源スイッチ１１０のオフ直後に冷却ファン（図示せず）を停止させると、それら現像装置３〜６及びトナー容器７〜１０の内部のトナーが、定着熱の過加熱（オーバーシュート）により溶着し、画像形成装置１全体に非常に大きなダメージを与える懸念がある。

図２は、定着装置上部の正面図である。定着装置２上部に冷却側を上、熱を受ける側を下にした状態でゼーベック効果若しくはペルチェ効果を利用した熱電素子１０１を配置し、その熱電素子１０１の冷却側に密着するように金属製の放熱フィン１０２を設置し、さらにこの放熱フィン１０２を通風ダクト１０３の内部に配置している。この構成で、熱電素子１０１でゼーベック効果により発電された電力により冷却ファン１０４が駆動されると、その通風ダクト１０３内を通過する空気流が発生し、この空気流により放熱フィン１０２からの放熱を促進することができる。これにより、熱電素子１０１の高温部と冷却部の温度差を大きくし、より大きな発電効率を上げることが可能になる。或いは、熱電素子１０１に電力を供給してペルチェ効果により熱電素子１０１の定着装置２側の面に放熱部、放熱フィン１０２側に吸熱部を形成し、定着装置２を加熱することにより、定着装置２のウォームアップを促進することが可能となる。逆に、熱電素子１０１に電力を供給してペルチェ効果により熱電素子１０１の定着装置２側の面に吸熱部、放熱フィン１０２側に放熱部を形成し、定着装置２を冷却することにより、定着装置２のクールダウンを促進することが可能となる。

ゼーベック効果とは図３の説明図に示すように、２種類の金属又は半導体の接合部に温度差をつけると電位差が発生する現象のことである。熱電素子１０１は２種類の異なるＰ型及びＮ型半導体で構成され、図３では熱電素子１０１の左側を高温部、右側を低温部にして温度差を付けた場合、Ｐ型半導体からＮ型半導体方向（図３では反時計回りの方向）に電流が流れるように電圧が発生し、温度差が大きいほど発電量が大きくなる。また、１つの熱電素子１０１自体の発電量は微々たるものであるが、この熱電素子１０１単体を多数連結することにより起電力を上げることが可能となる。本発明はこのゼーベック効果を利用した熱電素子１０１を用いることで定着装置２の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、動力源として利用したものである。

また、ペルチェ効果とは図４の説明図に示すように、２種類の金属又は半導体の接合部に電流を流すと温度差が発生する現象のことである。熱電素子１０１は２種類の異なるＰ型及びＮ型半導体で構成され、図４（ａ）ではＮ型半導体からＰ型半導体方向（図４（ａ）では時計回りの方向）に電流が流れるように直流電圧を印加した場合、熱電素子１０１の左側が放熱部、右側が吸熱部となるように温度差が発生し、吸熱部で吸熱してその周辺を冷却し、放熱部で発熱してその周辺を加熱することができる。なお、図４（ｂ）のように、直流電圧の極性を反転し、電流の流れを逆向きにすると、熱電素子１０１の吸熱部と放熱部が逆転する。また、１つの熱電素子１０１自体の吸熱量及び放熱量は微々たるものであるが、この熱電素子１０１単体を多数連結することにより吸熱量及び放熱量を上げることが可能となる。本発明はこのペルチェ効果を利用した熱電素子１０１を用いることで電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、定着装置２の加熱源若しくは冷却源として利用したものである。

図５は、冷却ファン１０４への電源供給手段の一例を示す概略ブロック図である。熱電素子１０１は、素子電源切替回路１０７に接続される。素子電源切替回路１０７は、電源スイッチ１１０の起動／終了信号及びサーミスタ２４の検出した定着装置温度に基づき、熱電素子１０１への直流電圧の供給のオン／オフ及び直流電圧を供給する場合の電圧極性を切替える回路である。

熱電素子１０１でゼーベック効果により発電した電力は、二次電池１０５に充電される。また、熱電素子１０１と二次電池１０５との間には逆流防止回路１０６を設け、二次電池１０５に充電された電力が熱電素子１０１に逆流するのを防止している。電源切替回路１０８は、冷却ファン１０４を駆動する電力の供給元を二次電池１０５と電源回路１０９との間で切替える回路であり、電源切替回路１０８に入力される電力の一部は、素子電源切替回路１０７に供給される。

図６は、本実施形態に係る画像形成装置における定着装置温度の推移の一例を、従来の画像形成装置と比較して示す温度グラフである。図７は、本実施形態に係る画像形成装置による熱電素子及び冷却ファンの制御の流れを示すフローチャートである。これらの図に基づいて、本発明に係る画像形成装置に特有の作用を説明する。図８及び図９は、熱電素子及び冷却ファンの制御状態を示すブロック図である。

電源スイッチ１１０をオンすると、定着装置２の熱ローラ２１内に埋設された定着ヒータ２３に電流が流れ、定着装置２の全体が暖まってくる。熱ローラ２１の温度は、サーミスタ２４により検出され、定着装置２は所定の定常温度を維持するように制御される。

従来のトナー融着に未対応の画像形成装置では、図６の温度グラフ破線で定着温度の推移を示すように、電源スイッチ１１０のオンと同時に定着ヒータ２３がオンし、また外部電源からの電源供給を受けて冷却ファン１０４の回転駆動が開始される。そして、定着装置２の温度を検出するサーミスタ２４の検出結果に基づき制御部は定着ヒータ２３をオン／オフ制御することで、定着装置２は所定の定常温度に維持される。そして、画像形成装置１の使用を終え、電源スイッチ１１０をオフすると、冷却ファン１０４への電源供給も止まり、冷却ファン１０４の回転が停止する。

このような制御方法では、電源スイッチ１１０のオン直後の定着装置２が暖まっていないときでも冷却ファン１０４が駆動されているため、定着装置２が定常温度に達するまでの時間（いわゆる、ウォームアップ時間）が比較的長くなってしまう。また、電源スイッチ１１０をオフすると、サーミスタによる温度制御がなくなることによる過加熱（オーバーシュート）が起こり、一時的に定着温度が上昇する。このオーバーシュートが上記のトナー融着を引き起こすことになるので問題である。このトナー融着の問題に対して従来の画像形成装置においても、図６の温度グラフ二点鎖線で示すように、電源スイッチ１１０オフ後の冷却ファン１０４の回転駆動を所定時間継続することによりオーバーシュートを防止する方法もあったが、機内を充分にクールダウンするのに比較的長い時間を要するため、省エネの観点から望ましくなかった。

それに対し、本実施形態に係る画像形成装置では、電源スイッチ１１０をオンすると（ステップ＃１）、素子電源切替回路１０７が電源スイッチ１１０の起動信号を検出し、熱電素子１０１及び冷却ファン１０４は以下の手順に従って制御される。すなわち、熱ローラ２１の温度がサーミスタ２４により検出され、その検出温度（Ｔｆ）は素子電源切替回路１０７において所定の第１基準温度（Ｔｈ）と比較される（ステップ＃２）。ウォームアップ中であるＴｆ＜Ｔｈである期間（ステップ＃２の肯定判定）は、図８（ａ）に示すように、素子電源切替回路１０７により電源回路１０９より直流電源を熱電素子１０１に供給するように切り替え（図４（ａ）参照）、ペルチェ効果により熱電素子１０１の定着装置２側の面から放熱し、電源スイッチ１１０がオフされない限り（ステップ＃４の否定判定）、定着装置２を加熱する（ステップ＃３）。これにより、ウォームアップ時間を大幅に短縮することができる。

このようにしてウォームアップを行うことにより、Ｔｆ≧Ｔｈとなった場合（ステップ＃２の否定判定）、素子電源切替回路１０７により熱電素子１０１への電源供給をオフして熱電素子１０１を発電に切り替え（ステップ＃５）、熱電素子１０１の両面に生じた温度差で、ゼーベック効果により発電が開始される。電源切替回路１０８は、図９に示すように、冷却ファン１０４への電源供給元を二次電池１０５に切替え、熱電素子１０１で発電した電力を供給して冷却ファン１０４を回転駆動して、電源スイッチ１１０がオフされない限り（ステップ＃７の否定判定）、機内冷却が開始される（ステップ＃６）。このとき、熱電素子１０１で発電された余剰電力は二次電池１０５に充電される。

また、画像形成装置１の使用を終え、電源スイッチ１１０をオフすると（ステップ＃４，７の肯定判定）、素子電源切替回路１０７が電源スイッチ１１０の起動信号を検出し、熱電素子１０１及び冷却ファン１０４は以下の手順に従って制御される。サーミスタ２４による検出温度（Ｔｆ）は所定の第２基準温度（Ｔｃ）と比較される（ステップ＃８）。クールダウン中であるＴｆ＜Ｔｃである期間（ステップ＃２の肯定判定）は、図８（ｂ）に示すように、例えば二次電池１０５により動作される電源回路１０９により、直流電源を熱電素子１０１に供給するように素子電源切替回路１０７を切り替え（図４（ｂ）参照）、ペルチェ効果により熱電素子１０１の定着装置２側の面から吸熱し、定着装置２を冷却する（ステップ＃９）。この間も、二次電池１０５又は電源回路１０９より冷却ファン１０４への電源供給が継続される（ステップ＃１０）。このため、冷却ファン１０４の回転が停止することなく、機内の冷却を行うことができる。これにより、クールダウン時間を大幅に短縮することができ、電源スイッチ１１０をオフしてから冷却ファン１０４が停止するまでの時間が短く、ユーザに与える違和感を少なくすることができる。冷却ファン１０４を駆動するために、二次電池１０５と電源回路１０９のどちらの電力を使用するかは、電源切替回路１０８によって決定される。例えば、二次電池１０５の充電量が充分であれば、二次電池１０５を優先させ、不十分であれば電源回路１０９を優先するような制御方法が考えられる。また、電源スイッチ１１０を切断した後も商用電源を使用して制御用電源及びファン駆動電源を所定時間残す構成とすることも可能である。

このようにしてクールダウンを行うことにより、Ｔｆ≦Ｔｃとなったことが判断されると（ステップ＃８の否定判定）、素子電源切替回路１０７により熱電素子１０１及び冷却ファン１０４への電源供給を停止し、画像形成装置１は全ての動作を終了する。

本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば上記の実施形態では、素子電源切替回路自体が、電源スイッチのオン／オフ信号及びサーミスタの検出した定着装置温度を判断する機能と、その検出結果に基づき熱電素子への直流電圧の供給のオン／オフ及び直流電圧を供給する場合の電圧極性を切替える機能とを兼ね備えている場合を説明したが、制御部に判断を行う役割を担わせ、この制御部の指令によって素子電源切替回路を制御する主従関係を持たせる構成としても構わない。

本発明は、定着装置を備えた画像形成装置に利用することができる。

は、本発明に係る画像形成装置の外観斜視図である。は、定着装置上部の概略構成図である。は、熱電素子のゼーベック効果の説明図である。は、熱電素子のペルチェ効果の説明図であり、（ａ）はＮ型半導体からＰ型半導体へ電流が流れる場合、（ｂ）はＰ型半導体からＮ型半導体へ電流が流れる場合を示している。は、本発明に係る熱電素子及び冷却ファンの制御ブロック図の一例である。は、本実施形態に係る画像形成装置における定着装置温度の推移の一例を、従来の画像形成装置と比較して示す温度グラフである。は、本実施形態に係る画像形成装置による熱電素子及び冷却ファンの制御の流れを示すフローチャートである。は、熱電素子及び冷却ファンの制御状態を示すブロック図であり、（ａ）は熱電素子により定着装置を加熱している状態、（ｂ）は熱電素子により定着装置を冷却している状態を示している。は、熱電素子及び冷却ファンの制御状態を示すブロック図であり、熱電素子で発電している状態を示している。

符号の説明

１画像形成装置
２定着装置
２４サーミスタ
１０１熱電素子
１０２放熱フィン
１０３通風ダクト
１０４冷却ファン
１０５二次電池
１０６逆流防止回路
１０７素子電源切替回路
１０８電源切替回路
１０９電源回路
１１０電源スイッチ

Claims

未定着画像が形成された転写紙を熱定着する定着手段と、画像形成装置の機内を冷却する冷却ファンとを有する画像形成装置において、
画像形成装置の起動／終了を設定するスイッチング手段と、
前記定着手段の温度を検出する温度検出手段と、
前記定着手段の近傍に設けられた熱電素子とを備え、
前記スイッチング手段の起動／終了信号及び前記温度検出手段の検出した定着手段温度に基づき、
起動信号を検出した場合、定着手段温度が所定の第１基準温度より低いときは、前記熱電素子へ直流電圧を供給することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換して前記定着手段を加熱し、
終了信号を検出した場合、定着手段温度が所定の第２基準温度より高いときは、前記熱電素子へ直流電圧を供給することにより、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換して前記定着手段を冷却することを特徴とする画像形成装置。
終了信号を検出した場合、定着手段温度が第２基準温度より高いときは、さらに前記冷却ファンを回転駆動することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記熱電素子により発電された電力の余剰電力を充電する二次電池を備え、二次電池に充電された電力で前記冷却ファンを回転駆動することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
定着手段温度が前記第１基準温度以上である場合、終了信号を検出するまで、前記熱電素子で定着手段の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発生させ、その電力にて前記冷却ファンを回転駆動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像形成装置。