JP4370185B2

JP4370185B2 - ペルチェ素子駆動装置

Info

Publication number: JP4370185B2
Application number: JP2004038722A
Authority: JP
Inventors: 博之黒田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: JP2005229059A

Description

本発明は、ペルチェ素子の駆動装置に関する。

従来、ペルチェ素子駆動装置においては、定電圧又はＰＷＭで電源供給を行っている。画像形成装置内でペルチェ素子駆動装置を用いる場合、電源ユニットでつくりだした定電圧ＤＣ電源をそのまま、或いはＦＥＴ等のスイッチング素子でＰＷＭにした電源を供給している。

特許文献１においては、半導体レーザの温度制御においてペルチェ素子を利用しており、ペルチェ素子への駆動電圧が低くなった場合においても電源利用効率を低下させない為の半導体レーザ温度制御回路を提案している。また特許文献２においては、高調波電流などの影響を抑制することを目的とする電源制御装置を提案している。
特許第３３３８１４８号公報特開２０００−３２４６９２号公報

ペルチェ素子駆動装置においては、ＰＷＭを使う場合、ＦＥＴ等のスイッチング素子を用いると数アンペアの電流が流れるため、発熱し周囲の温度を上げてしまうという問題点がある。
また、画像形成装置において、以下のような課題がある：
（１）感光体の保存湿度が感光体の寿命に影響しており、また、感光体の湿度により作像時のトナー付着具合、そしてその後の転写の具合が影響する。
（２）紙転写する時、紙の湿度が転写像に影響する。
（３）画像形成装置の半導体レーザ用いた書込み装置では、温度によって結像光学系位置ずれを生じる。

本発明は上記課題に鑑み、商用電源から供給される電圧を降圧、整流したものを平滑せずにペルチェ素子に印加することで、ファンモータ等で利用するＤＣ電源系の電流を減らす装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ペルチェ素子を駆動するペルチェ素子駆動装置において、ＡＣ電源を降圧するトランスと、トランスに降圧された電源を半波整流する整流回路と、整流回路と前記ペルチェ素子との間に配されたスイッチング素子とを備え、記整流回路が半波整流した電源は平滑化されずにペルチェ素子に供給され、スイッチング素子はＡＣ電源のゼロクロス信号に同期してＯＮ−ＯＦＦ制御されることを特徴とすることを特徴とするペルチェ素子駆動装置である。

請求項２に記載の発明は、ペルチェ素子を駆動するペルチェ素子駆動装置において、ＡＣ電源を降圧するトランスと、トランスに降圧された電源を半波整流する整流回路と、整流回路とペルチェ素子との間に配されたスイッチング素子と、ＡＣ電源のゼロクロス信号に同期してカウントするタイマカウンタとを備え、整流回路が半波整流した電源は平滑化されずにペルチェ素子に供給され、スイッチング素子はタイマカウンタに基づいてＯＮ−ＯＦＦ制御されることを特徴とするペルチェ素子駆動装置である。

本発明によれば、ペルチェ駆動装置の電源として商用電源を降圧した半波整流部を用いることで、低コストかつ低消費電力でペルチェ素子を駆動することができる。

また、ペルチェ駆動装置の電源として商用電源を降圧した全波整流を用いることで、低コスト、低消費電力でペルチェ素子を駆動することができ、またペルチェ素子の駆動効率が向上する。

また、スイッチング素子をペルチェ駆動電源部に設けることで、ＣＰＵ等でＯＮ−ＯＦＦ制御することができる。

また、ＯＮ−ＯＦＦ制御の制御信号として、ＡＣ電源のゼロクロス信号を用いることで、半波または全波の電源に対し、波数単位でＯＮ−ＯＦＦ制御することができる。

また、半波または全波の電源に対し、ゼロクロス位置から任意の位置でＯＮ−ＯＦＦ制御を可能とするため、高調波による電源環境を抑制することができる。

また、温度制御にペルチェ素子電源のみ商用電源を降圧した全波整流又は半波整流部を使い、温度センサや制御素子、ファンモータに整流後、平滑した電源を供給することで、平滑用に用いるＦＥＴのヒートシンクを小さくすることができ、ペルチェ駆動装置を小型化することができる。

また、湿度制御にペルチェ素子電源のみ商用電源を降圧した全波整流又は半波整流部を使い、温度センサや制御素子、ファンモータに整流後、平滑した電源を供給することで、平滑用に用いるＦＥＴのヒートシンクを小さくすることができ、ペルチェ駆動装置を小型化することができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。

従来ペルチェ素子は商用電源を安定したＤＣ電源に変換し、電源供給をしていた。ペルチェ素子は数アンペアと比較的大きな電流を要するため、電源のＤＣ化の際、電流容量の大きい素子を用いて電源安定化を図るスイッチング素子部で熱損失が大きかった。また、電源回路自体も大きくなってしまった。

そこで、図１は本発明にかかるペルチェ素子駆動電源装置における、商用電源をトランスで降圧し、半波整流した電源をペルチェ素子の電源として使用することを示した回路例である。

商用電源を降圧する際、ペルチェ電源用（トランス１）とその他の電源用（トランス２）の２系統に分ける。ペルチェ電源回路部はトランス１により、ペルチェ素子で使用する電圧まで降圧し、ダイオードによりＤＣ電源に整流し、ペルチェ素子への供給用とする。トランス２では、ペルチェ素子の放熱ファン、冷気送風ファンやペルチェ素子制御用等に使用するため電源をつくりだす。トランス２側は降圧した電源をＤＣ電源に整流し脈流を平滑安定化し、電源供給する。各場所での電源波形を図２に示す。
このように商用電源から降圧しダイオードで整流したものを平滑せずにペルチェ素子に印加することで、ファンモータ等で使うＤＣ電源系の電流を減らすことができる。

図３はペルチェ素子用全波整流回路としてダイオードブリッジ回路を用い、ペルチェ素子の駆動能力を高めた電源回路例である。商用電源を降圧する際、ペルチェ電源用（トランス１）とその他の電源用（トランス２）の２系統に分ける。ペルチェ電源回路部はトランス１により、ペルチェ素子で使用する電圧まで降圧し、ダイオードブリッジ回路によりＤＣ電源に整流し、ペルチェに供給用とする。トランス２では、ペルチェ素子の放熱ファン、冷気送風ファンやペルチェ素子制御用等に使用するため電源をつくりだす。トランス２側は降圧した電源をＤＣ電源に整流し脈流を平滑、安定化し、電源供給する。各場所での電源波形を図４に示す。

このように商用ＡＣ電源から降圧しダイオードブリッジで整流したものを平滑せずにペルチェに印加することで、ファンモータ等で使うＤＣ電源系の電流を減らすことができる。

図５では、ペルチェ素子の駆動を外部から入力することで制御可能とするために、電源出力部にスイッチング素子を用いた回路例である。図は一例であり。スイッチング素子は電源出力部ではなく、トランス１とダイオードブリッジの間や、トランス１の入力部に設けてもよい。

スイッチングは、商用電源のゼロクロス信号をＯＮ−ＯＦＦ制御のトリガとする。商用電源のゼロクロスに同期させスイッチングすることにより、電源高調波規制を低減する。またゼロクロスに同期させることで、電源波形の波数に基づいた制御を行うことができる。

また、タイマーカウンタを用い、ゼロクロスからのタイミングを操作しペルチェ素子を駆動する。即ち半波若しくは全波のうちゼロクロス位置から任意の部分の電圧をペルチェ駆動装置に印可することができる。

このようにペルチェ駆動装置に供給する電源入力前にスイッチング素子を入れＯＮ−ＯＦＦを可能とすることで、ペルチェ駆動装置を外部からの信号で制御することができる。

図６は温度を監視しながらペルチェ素子を駆動するためのブロック図である。ここでは温度センサの出力値を用い、ペルチェ駆動装置をＯＮ−ＯＦＦ制御する。

制御部では商用電源の０Ｖを交差する点を検出するゼロクロス検出回路、サーミスタ等を用いた温度センサからのアナログ温度情報をＣＰＵで演算するためにデジタル信号に変換するＡＤコンバータ、ＣＰＵでは温度情報からゼロクロス信号に同期しＯＮ−ＯＦＦ制御するためのトリガ信号、スイッチング素子はＦＥＴやトランジスタ等の半導体素子を用い、ペルチェ素子やファンモータを駆動する。ペルチェ素子とファンモータは同一信号で制御されてもよいが、ペルチェ素子のストレス低減のため、ペルチェ素子ＯＦＦ時は数秒後にファンモータをＯＦＦするようにしてもよい。

図７は湿度を監視しながらペルチェ素子を駆動するためのブロック図である。ここでは湿度センサの出力値を用い、ペルチェ駆動装置をＯＮ−ＯＦＦ制御する。

制御部では商用電源の０Ｖを交差する点を検出するゼロクロス検出回路、湿度センサからのアナログ湿度情報をＣＰＵで演算するためにデジタル信号に変換するＡＤコンバータ、ＣＰＵでは湿度情報からゼロクロス信号に同期しＯＮ−ＯＦＦ制御するためのトリガ信号を発し、スイッチング素子はＦＥＴやトランジスタ等の半導体素子を用い、ペルチェやファンモータを駆動する。ペルチェ素子とファンモータは同一信号で制御されてもよいが、ペルチェ素子のストレス低減のため、ペルチェ素子ＯＦＦ時は数秒後にファンモータをＯＦＦするようにしてもよい。

図８は複写機における、感光体ユニット内の湿度を制御するシステムの概略図である。ここでは画像形成装置の感光体湿度コントロールにペルチェ装置を用いている。

電源及び制御基盤１はペルチェ装置に電源供給し、ペルチェ装置及び湿度センサと接続される。

ペルチェ装置２は、ペルチェ素子３の両端に放熱フィン４及びファンモータ５、６を有する。ペルチェ素子３に電圧が印加され、ペルチェ素子３の発熱面からの熱はファンモータ５で機外へ廃熱する。そしてペルチェ素子３の吸熱面の空気を冷却し、ファンモータ６で乾燥空気をダクト７を通して感光体ユニット８内に注ぎ込む。そしてユニット内の高湿空気をファンモータ９によりダクト１０を通して排気する。湿度センサ１１によりユニット内湿度を監視し、制御基板内のＣＰＵでペルチェ装置を制御することで感光体１２の環境制御を可能とする。

また、印刷紙の状態を良好に保つ為に、画像形成装置における給紙トレイ内の転写紙の湿度コントロールにペルチェ装置を用いてもよい。

図９は複写機における、感光体を露光する書込みユニット内のレーザダイオードの温度を制御するシステムの概略図である。ここでは半導体レーザの温度コントロールにペルチェ装置を用いている。

電源及び制御基盤１はペルチェ装置に電源供給し、ペルチェ装置及び温度センサと接続される。

ペルチェ装置２は、ペルチェ素子に電圧を与え、ペルチェ素子の吸熱面で低温の空気をファンモータ６でダクト７を通し、書込みユニット８内に注ぎ込む。そしてユニット内の高温空気をファンモータ９によりダクト１０を通して排気する。温度センサ１３によりユニット内温度を監視し、制御基板内のＣＰＵでペルチェ装置を制御することで書込みユニット内のレーザダイオード１４の温度制御を可能とする。

本発明は、ペルチェ素子を用いた冷却装置に応用することが可能である。

本発明のペルチェ素子駆動装置の回路図である。図１の回路の各箇所における電源波形図である。整流回路としてダイオードブリッジを用いたペルチェ素子駆動装置の回路図である。図３の回路の各箇所における電源波形図である。ペルチェ素子駆動電源ラインにスイッチング素子を挿入したペルチェ素子駆動装置の回路図である。外部温度の観測結果をペルチェ素子駆動に反映させるペルチェ素子駆動装置のブロック図である。外部湿度の観測結果をペルチェ素子駆動に反映させるペルチェ素子駆動装置のブロック図である。複写機において感光体ユニット内の湿度を制御するシステムの概略図である。複写機において感光体を露光する書込みユニット内のレーザダイオードの温度を制御するシステムの概略図である。

符号の説明

１制御基盤
２ペルチェ装置
３ペルチェ素子
４放熱フィン
８感光体ユニット
１１湿度センサ
１２感光体
１３温度センサ
１４レーザダイオード

Claims

ペルチェ素子を駆動するペルチェ素子駆動装置において、
ＡＣ電源を降圧するトランスと、
前記トランスに降圧された電源を半波整流する整流回路と、
前記整流回路と前記ペルチェ素子との間に配されたスイッチング素子と、
を備え、
前記整流回路が半波整流した電源は平滑化されずに前記ペルチェ素子に供給され、前記スイッチング素子は前記ＡＣ電源のゼロクロス信号に同期してＯＮ−ＯＦＦ制御されることを特徴とすること
を特徴とするペルチェ素子駆動装置。
ペルチェ素子を駆動するペルチェ素子駆動装置において、
ＡＣ電源を降圧するトランスと、
前記トランスに降圧された電源を半波整流する整流回路と、
前記整流回路と前記ペルチェ素子との間に配されたスイッチング素子と、
前記ＡＣ電源のゼロクロス信号に同期してカウントするタイマカウンタと、
を備え、
前記整流回路が半波整流した電源は平滑化されずに前記ペルチェ素子に供給され、前記スイッチング素子は前記タイマカウンタに基づいてＯＮ−ＯＦＦ制御されること
を特徴とするペルチェ素子駆動装置。