JP2008122780A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電によって得られる電力と熱とを活用して、画像形成装置の総消費電力量を低減させるとともに、燃料電池の小型化に寄与する。
【解決手段】画像形成装置に燃料電池８０を搭載させ、燃料電池８０による発電に伴って発生する熱を、ヒートパイプ９１とポンプモータ９２とを用いて用紙収容部７０に収容されている用紙に供給する。このようにして燃料電池８０の排熱によって温められた用紙であれば、定着部にて定着処理をおこなう際に用紙に少量の熱を加えるだけで、用紙が定着に適した温度となる。そのため、制御部は、用紙収容部７０に収容されている用紙の温度を測定し、その温度に応じた量の電力を燃料電池８０及び商用電源から定着部に供給させる。これにより、画像形成装置の総消費電力量を抑えることができるとともに、燃料電池８０の小型化に寄与することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像形成装置に関する。

近年、画像形成装置の電源としてエネルギー変換効率の高い燃料電池を用いることに期待が寄せられている。例えば、特許文献１に開示された技術では、燃料電池による発電によって得られる電力を画像形成装置の駆動部と制御部とに供給するとともに、その発電に伴って発生した熱を定着部に供給する。トナー像を用紙に定着させるためには大量の熱が必要であるから、燃料電池によって発生した熱を定着部に供給して定着処理に利用することで、発電に伴って発生した熱が無駄にならずにすむことになる。
特開２００３−２７０９８０号公報

ところで、上記特許文献１に開示された技術において、定着部が良好に定着処理を行うだけの電力を燃料電池から供給するためには、必然的に大型の燃料電池が必要となる。この場合、画像形成装置の小型化が妨げられるとともに、画像形成装置の製造やメンテナンスに要するコストも高くなってしまう。そこで、小型の燃料電池であっても、その燃料電池による発電によって得られる電力と熱とを有効に活用することで、画像形成装置の総消費電力量を低減させることが望まれている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池による発電によって得られる電力と熱とを活用して、画像形成装置の総消費電力量を低減させるとともに、燃料電池の小型化に寄与する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、商用電源から電力が供給される画像形成装置であって、画像データに応じたトナー像を記録材に形成する像形成手段と、前記像形成手段に供給される記録材を収容する記録材収容手段と、水素と酸素とを化学反応させることにより、熱の発生を伴って発電を行う燃料電池と、前記燃料電池による発電に伴って発生する熱を、前記記録材収容手段によって収容されている記録材に供給する熱供給手段と、前記像形成手段によってトナー像が形成された記録材を、前記燃料電池及び前記商用電源から供給される電力を用いて加熱することによって、前記トナー像を記録材に定着させる定着手段とを備えることを特徴とする画像形成装置を提供する。

本発明の好ましい態様においては、前記記録材収容手段によって収容される記録材の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段によって測定された温度に応じて、前記定着手段において用いられる電力を制御する電力制御手段とを備えるようにしてもよい。
また、本発明の別の好ましい態様においては、前記温度測定手段によって測定された温度が所定の閾値よりも高くなったときに、前記記録材収容手段に収容された記録材の温度を下げる冷却手段を更に備えるようにしてもよい。

また、前記熱供給手段は、気体又は液体からなる媒体と、前記燃料電池による発電に伴って発生した熱が前記媒体に供給される位置と、前記記録材収容手段に収容された記録材に前記媒体から熱が供給される位置との間で、前記媒体を循環させる媒体循環手段とを備え、前記冷却手段は、前記媒体循環手段による媒体の循環速度を変えることによって、前記媒体から前記記録材に供給される熱の量を少なくして当該記録材の温度を調整してもよい。
更に、前記記録材収容手段は前記記録材を収容するための筐体を有し、その筐体の内面が断熱材で覆われていてもよい。

また、本発明の別の好ましい態様においては、前記商用電源から供給される電力を変換した２次電力を供給する電源と、前記像形成手段及び前記定着手段を含み、前記商用電源、前記燃料電池及び前記電源の少なくとも１つから供給される電力で動作する部品装置と、画像形成装置の動作モードを切り替える切替手段とを備え、前記電力制御手段は、前記切替手段によって切り替えられた動作モードに応じて、前記燃料電池及び前記電源から前記部品装置に供給される電力の量を調整してもよい。

本発明によれば、燃料電池による発電によって得られる電力と熱とを活用して、画像形成装置の総消費電力量を低減させるとともに、燃料電池の小型化に寄与することができる。

［実施形態］
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置１の全体構成を示す図である。同図に示すように、この画像形成装置１は、制御部１０、電源部２０、ＵＩ（User Interface）部２５、画像読取部３０、画像形成部３５、搬送部４０、定着部５０、排紙トレイ６０、用紙収容部７０、燃料電池８０及び熱供給部９０を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの制御回路と各種メモリを備え、画像形成装置１の全体的な制御を司る。電源部２０は、図示せぬ商用電源から供給される電圧の電圧変換などを行ってから、制御部１０の制御に従って、制御部１０を除く画像形成装置１の各部品装置（例えばＵＩ部２５、画像読取部３０、画像形成部３５、定着部５０）に対して、変換した電力（２次電力）を供給する。ＵＩ部２５は、タッチパネル及び操作ボタンを備え、制御部１０から供給される画像信号に応じた画像を表示すると共に、ユーザからの指示の入力を受け付ける。画像読取部３０は、スキャン機能を有し、セットされた原稿の画像を読み取ってその画像に応じた画像データを出力する。

画像形成部３５は、感光体ドラム、帯電部、露光部、現像部及び転写部を有し、画像データに応じたトナー像を用紙に形成する。感光体ドラムは、帯電部によってその周面が一様に帯電された後、露光部が画像データに応じたレーザ光を照射して露光走査することによって、静電潜像が形成される。この静電潜像は、現像部からトナーが供給されることによってトナー像として現像される。そして、現像されたトナー像は、転写部によって用紙（記録材）に転写される。本実施形態では、この画像形成部３５が燃料電池８０から離れた位置に設置されている。これは、燃料電池８０が発生する熱によって現像部のトナーが溶解されるのを防ぐためである。

定着部５０は、燃料電池８０及び図示せぬ商用電源から供給される電力を用いて、画像形成部３５によってトナー像が形成された用紙を加熱し、トナー像を用紙に定着させる。図２は、定着部５０の構成を示す図である。同図に示すように、定着部５０は、内部に３本のハロゲンランプ５１ａが設けられた定着ロール５１と加圧ロール５２とを備える。定着ロール５１は、制御部１０の制御に従って内部のハロゲンランプ５１ａが所定の点滅パターンで点灯されることにより、「低」・「中」・「高」のいずれかの温度となるように制御される。加圧ロール５２は図示せぬ付勢部材によって定着ロール５１の方向に付勢されており、定着ロール５１の周面と加圧ロール５２の周面との接触領域には、トナー像が形成された用紙が通過させられる。加圧ロール５２の周面は定着ロール５１の周面の方向に押圧されているので、両ロールの接触領域を通過する用紙には圧力が加えられる。このときの加熱及び加圧作用でトナー像は用紙表面に定着する。そして、定着部５０による定着処理を経た用紙は、排紙口から排紙される。

図１において、排紙トレイ６０は、排紙口から排紙された用紙を受け取るトレイである。図示されていないが、この排紙トレイ６０には、開閉自在のシャッターを備えた複数のスリットが設けられている。このシャッターは、制御部１０の制御に従って、ウォームアップ時などにはスリットを閉じる。これにより、画像形成装置１が効率よく温まる。また、このシャッターは、制御部１０の制御に従って、装置の温度が過度に上昇した時などには、スリットを開放して装置内の空気をスリットから排気させる。これにより、画像形成装置１が高温になることに起因する不具合の発生を防ぐことができる。

用紙収容部７０は、内面が断熱材７１ａで覆われた筐体７１を備え、その筐体７１に所定サイズの用紙を収容する。制御部１０の制御に従って用紙収容部７０から１枚ずつ繰り出された用紙は、搬送部４０を経由して画像形成部３５に供給される。この用紙収容部７０には、温度測定部７２と排気ファン７３とが設けられている。温度測定部７２は、筐体７１に収容されている用紙の温度を温度センサによって測定し、測定した用紙の温度を制御部１０に通知する。排気ファン７３は、制御部１０の制御に従って回転し、用紙収容部７０内の空気を外部に排出する。これにより、用紙収容部７０内の温度を下げ、そこに収容されている用紙を冷却することができる。

燃料電池８０は、水素と酸素とを化学反応させることにより、熱の発生を伴う発電を行う。この燃料電池８０は、制御部１０の制御に従って、上述した画像形成装置１の各部品装置及び制御部１０に対して電力を供給する。なお、この燃料電池８０の燃料となる水素は、ユーザ又はサービスエンジニアが作業しやすいように、画像形成装置１の前面から補充或いは交換し得る位置に設けられている。熱供給部９０は、図３に示すように、ヒートパイプ９１とポンプモータ９２とを備え、燃料電池８０による発電に伴って発生する熱を、用紙収容部７０に収容されている用紙に供給する。ヒートパイプ９１は、銅などの中空の金属管であり、その内部にはオイルが入っている。このヒートパイプ９１は、用紙収容部７０内の区間Ａと燃料電池８０内の区間Ｂとを通って環状になるように設置されている。また、区間Ａに設けられたヒートパイプ９１は、用紙と対面する表面積がなるべく大きくなるように、筐体７１に収容されている用紙の周りを螺旋状に巻きまわされている。ポンプモータ９２は、ヒートパイプ９１間に設置されており、ヒートパイプ９１内のオイルを区間Ａと区間Ｂとの間にて所定の速度で循環させる。区間Ｂでは、燃料電池８０による発電に伴って発生した熱がヒートパイプ９１内のオイルに供給される。一方、区間Ａでは、ヒートパイプ９１内のオイルの熱が、より温度の低い用紙に奪われる。このようにして、燃料電池８０による発電に伴って発生した熱はヒートパイプ９１内のオイルを介して用紙に伝えられる。

前述したように、商用電源、電源部２０及び燃料電池８０の少なくとも１つから画像形成装置１が備える各部品装置に電力が供給される。図４は、この電力供給の制御を行う電力制御回路１１の構成を示す図である。同図に示すように、この電力制御回路１１は、複数のスイッチ１１ａと複数のＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータ１１ｂとを備えている。電源部２０及び燃料電池８０と、制御部１０、画像形成部３５又は定着部５０は、それぞれスイッチ１１ａ及びＤＣ−ＤＣコンバータ１１ｂを介して接続されている。また、商用電源と定着部５０とは、スイッチ１１ａを介して接続されている。スイッチ１１ａは、制御部１０からの切替信号に応じて、オン状態又はオフ状態に切り替わる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１ｂは、入力電圧を、自身が接続されている部品装置に適した電圧に変換し、その電圧変換後の電力をその部品装置に供給する。例えば、燃料電池８０と画像形成部３５とを接続するスイッチ１１ａが制御部１０に指示に従ってオン状態となれば、画像形成部３５は通電することになるし、オフ状態となれば、画像形成部３５の通電は停止することになる。制御部１０は、この電力制御回路１１に対して切替信号を供給することで、商用電源、電源部２０及び燃料電池８０から得られた電力を画像形成装置１の各部品装置に供給させている。なお、図４では、部品装置として、制御部１０、画像形成部３５及び定着部５０のみを図示しているが、電力の供給対象としては、これ以外に、画像読取部３０やＵＩ部２５などを含めるようにしてもよい。

電力供給の制御は画像形成装置１の動作モードに応じて行われるようになっている。画像形成装置１の動作モードには、ウォームアップモード、ランモード、スリープモードなどがあり、制御部１０は、装置の状態に応じてこれらの動作モードを適宜切り替えている。ウォームアップモードは、電源投入後などの期間において、画像形成部３５や定着部５０などの各部を稼動させて温めることにより、画像形成の準備を行うモードである。また、ランモードは、画像の形成や読み取りを行うモードである。そして、スリープモードは、画像形成装置１が一定時間使用されない時に待機するモードである。

ここで、図５は、画像形成装置１の動作モードと画像形成装置１全体の消費電力量との関係を示す図である。図において、領域Ｐは燃料電池８０によって供給される電力の量を表しており、領域Ｑは電源部２０によって供給される電力の量を表している。また、領域Ｒは商用電源によって供給される電力の量を表している。同図に示すように、画像形成装置１全体の消費電力は、スリープモードの時の消費電力量が最も少なく、ランモードの時の消費電力量はその次に少ない。ウォームアップモードの時の消費電力量は、最も多くなる。これは、スリープモードの時には制御部１０のみが稼動するのに対し、ランモード、ウォームアップモードの時には、制御部１０に加えてＵＩ部２５、画像読取部３０、画像形成部３５、定着部５０など、画像形成装置１が備える各部品装置が稼動するためである。さらに、ウォームアップモードの消費電力が最も大きいのは、冷え切った定着部５０などを定着可能な温度にまで温めなければならない等の理由による。

制御部１０は、画像形成装置１がスリープモードの時には、上述した各スイッチ１１ａをオンオフさせて、燃料電池８０の発電により得られた電力を自身（制御部１０）にのみ供給させる一方、電源からの電力は遮断する。これは、小型の燃料電池８０が発生する電力はそれほど大きなものではないが、スリープモード時に制御部１０が動作するのに必要な量の電力は発電することができるからである。これに対し、制御部１０は、画像形成装置１がランモード又はウォームアップモードの時には、燃料電池８０の発電により得られた電力を、制御部１０のほか、画像形成部３５や定着部５０にも供給させるとともに、燃料電池８０からの供給にて不足する分の定着部５０の電力を商用電源から供給させる。また、制御部１０は、定着部５０以外の各部品装置にて、燃料電池８０からの供給で不足する分の電力を、電源部２０から供給させる。このようにして、画像形成装置１の動作モードに応じて、商用電源、電源部２０及び燃料電池８０から画像形成装置１が備える各部品装置に電力の供給が行われる。なお、図５において、ウォームアップモード及びランモードでは燃料電池８０が発電し得る最大量の発電を行う場合を例示したが、必要に応じて、燃料電池８０による発電を抑えつつ、その不足分を電源部２０から余分に供給するようにしてもよい。

次に、用紙に画像を形成する処理について説明する。上述したように、燃料電池８０による発電に伴って発生する熱は、ヒートパイプ９１内のオイルを介して、用紙収容部７０に収容された用紙に供給される。更に、用紙収容部７０の筐体７１の内面が断熱材７１ａで覆われているため、用紙に供給された熱は外部に逃げることがなく、用紙が温まった状態を保持することができる。ユーザによって画像形成装置１のＵＩ部２５に画像形成指示が入力されると、制御部１０は、温度測定部７２を用いて用紙収容部７０の用紙の温度を測定し、その温度に応じた量の電力が燃料電池８０及び商用電源から定着部５０に供給されるように制御する。例えば、温度測定部７２によって測定された用紙の温度が「低」であれば、制御部１０は、燃料電池８０及び商用電源から定着ロール５１のハロゲンランプ５１ａに供給させる電力の量を多くする。これは、用紙の温度を定着に適した温度にするために、定着ロール５１の温度を高くする必要があるためである。このとき、商用電源から定着部５０に供給される電力量を大きくしてもよいし、燃料電池８０の発電量を大きくしてもよいが、燃料電池８０の発電量を大きくすることで、定着ロール５１の温度を上昇させることができると共に、その発電に伴って発生する熱によって用紙を温めることができるという効果も期待できる（以下の用紙の温度が「高」、「中」の場合も同様）。

また、用紙測定部によって測定された用紙の温度が「高」であれば、制御部１０は、燃料電池８０及び商用電源から定着ロール５１のハロゲンランプ５１ａに供給される電力の量を少なくする。これは、定着ロール５１の温度が低くても、用紙の温度が定着に適した温度となるためである。更に、用紙測定部によって測定された用紙の温度が「中」であれば、制御部１０は、用紙の温度が「高」のとき以下の量であって「低」のときよりも多い量の電力を燃料電池８０及び商用電源から定着ロール５１のハロゲンランプ５１ａに供給させる。なお、上記では説明の便宜上、用紙の温度を「高」・「中」・「低」としたが、実際の用紙の温度と電力の量との関係は、実験などによって求めるとよい。このようにして、制御部１０は、用紙収容部７０に収容されている用紙の温度に応じて、定着部５０の定着ロール５１の温度を調整する。

定着部５０が十分に温まり、画像形成装置１において画像形成を行うための準備が整うと、画像読取部３０などから入力された画像データに応じたトナー像が画像形成部３５によって形成される。トナー像が形成された用紙は、定着部５０に搬送され、定着部５０によって熱と圧力とが加えられてトナー像が定着される。この時、定着部５０の定着ロール５１の温度は、上述のようにして用紙の温度に応じた最適な温度に予め調整されているため、良好な定着が行われる。そして、定着部５０によってトナー像が定着された用紙は、排紙トレイ６０に排紙される。

ところで、燃料電池８０の発電に伴って発生する熱によって、用紙収容部７０に収容されている用紙が過度に温められる場合もある。この場合、画像形成装置１は、以下のようにして用紙の温度を下げる。
前述したように、制御部１０は、温度測定部７２を用いて、定期的に用紙収容部７０の用紙の温度を測定している。この用紙の温度が所定の閾値よりも大きくなると、制御部１０は、排気ファン７３を回転させて用紙の温度を下げる。この冷却処理は、定着に適した温度よりも高い温度の用紙が定着部５０に供給されることによって定着不良が発生することを防ぐための処理であるから、上記閾値は、定着に適している温度範囲のうち最高の温度である。ただし、用紙収容部７０から定着部５０に搬送される間に用紙の温度は低下してしまうため、より望ましくは、用紙が搬送される際の温度低下を予測してその温度低下分だけ高い温度を上記閾値とする。このようにして、定着部５０の定着ロール５１の温度及び用紙収容部７０の用紙の温度を制御することにより、良好な定着が行われる。

以上説明した実施形態によれば、電源部２０と燃料電池８０と商用電源とを制御するので、動作モードに応じて変化し得る画像形成装置１の総消費電力の全てを燃料電池８０によって賄う必要がなくなる。これによって、燃料電池８０の小型化に寄与する。また、燃料電池８０の排熱を利用して用紙を温めることにより、定着部５０に供給する電力の量を減らすことができる。定着部５０の消費電力量は、画像形成装置１の総消費電力量の６０％〜８０％を占めるため、その電力を省くことによる効果は大きい。また、画像形成装置１の総消費電力の削減は、単に装置の省エネルギー化を実現させるだけではなく、上述した燃料電池８０の小型化を更に促進させる効果を奏する。

［変形例］
上記実施形態に対して以下のような変形を適用することができる。
上記実施形態において、ヒートパイプ９１の内部にはオイルが入っていたが、燃料電池８０の発電に伴う熱が供給され、循環させられることによって用紙収容部７０に収容された用紙にその熱を供給する媒体であれば、他の気体又は液体であってもよい。例えば、ヒートパイプ９１の内部に入っている媒体が水などの作動液である場合、燃料電池８０の発電に伴う熱がこの作動液に供給されると、この作動液は蒸発して蒸気になる。そして、ポンプモータ９２がこの蒸気を圧縮して、ヒートパイプ９１内を循環させることによって、用紙収容部７０に収容された用紙に蒸気から熱が供給されてもよい。

上記実施形態においては、排気ファン７３を用いることによって用紙の冷却を行っていたが、他の方法を用いて冷却（温度調整）を行ってもよい。例えばヒートパイプ９１内を循環している媒体の循環速度を調整することで用紙を冷却することもできる。
図６は、媒体の循環速度と媒体から用紙に供給し得る熱量との関係を示す図である。前述したように、ヒートパイプ９１の区間Ｂでは、燃料電池８０による発電に伴って発生した熱がヒートパイプ９１内の媒体に供給される一方、区間Ａでは、ヒートパイプ９１内の媒体の熱が用紙に奪われるから、熱を最も効率よく用紙に供給し得る速度が実験的或いは計算で定まるはずである。そこで、同図に示すように最も効率よく熱が用紙に供給される媒体の循環速度をＶ０とすると、媒体の循環速度をＶ１又はＶ２のいずれかで示す速度に変えると、媒体から用紙に供給される熱量は少なくなり、用紙収容部７０に収容された用紙の温度が下がることになる。

また、上記実施形態において、燃料電池８０が発電した電力は、画像形成装置１がスリープモードの時には制御部１０に供給され、ランモード及びウォームアップモードの時には制御部１０及び画像形成装置１が備える各部品装置に供給されていたが、この電力の供給先は燃料電池８０の発電量に応じて決定すればよく、この例に限定されない。

画像形成装置１の全体構成を示す図である 定着部５０の構成を示す図である。 熱供給部９０の構成を示す斜視図である。 電力制御回路１１の構成を示す図である。 動作モードと消費電力量との関係を示す図である。 循環速度と用紙に供給し得る熱量との関係を示す図である。

符号の説明

１…画像形成装置、１０…制御部、１１…電力制御回路、１１ａ…スイッチ、１１ｂ…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２０…電源部、２５…ＵＩ部、３０…画像読取部、３５…画像形成部、４０…搬送部、５０…定着部、５１…定着ロール、５１ａ…ハロゲンランプ、５２…加圧ロール、６０…排紙トレイ、７０…用紙収容部、７１…筐体、７１ａ…断熱材、７２…温度測定部、７３…排気ファン、８０…燃料電池、９０…熱供給部、９１…ヒートパイプ、９２…ポンプモータ。

Claims (6)

1. 商用電源から電力が供給される画像形成装置であって、
   画像データに応じたトナー像を記録材に形成する像形成手段と、
   前記像形成手段に供給される記録材を収容する記録材収容手段と、
   水素と酸素とを化学反応させることにより、熱の発生を伴って発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池による発電に伴って発生する熱を、前記記録材収容手段によって収容されている記録材に供給する熱供給手段と、
   前記像形成手段によってトナー像が形成された記録材を、前記燃料電池及び前記商用電源から供給される電力を用いて加熱することによって、前記トナー像を記録材に定着させる定着手段と
   を備えることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記記録材収容手段によって収容される記録材の温度を測定する温度測定手段と、
   前記温度測定手段によって測定された温度に応じて、前記定着手段において用いられる電力を制御する電力制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記温度測定手段によって測定された温度が所定の閾値よりも高くなったときに、前記記録材収容手段に収容された記録材の温度を下げる冷却手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記熱供給手段は、
   気体又は液体からなる媒体と、
   前記燃料電池による発電に伴って発生した熱が前記媒体に供給される位置と、前記記録材収容手段に収容された記録材に前記媒体から熱が供給される位置との間で、前記媒体を循環させる媒体循環手段とを備え、
   前記冷却手段は、前記媒体循環手段による媒体の循環速度を変えることによって、前記媒体から前記記録材に供給される熱の量を少なくして当該記録材の温度を調整する
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記記録材収容手段は前記記録材を収容するための筐体を有し、
   その筐体の内面が断熱材で覆われている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記商用電源から供給される電力を変換した２次電力を供給する電源と、
   前記像形成手段及び前記定着手段を含み、前記商用電源、前記燃料電池及び前記電源の少なくとも１つから供給される電力で動作する部品装置と、
   画像形成装置の動作モードを切り替える切替手段とを備え、
   前記電力制御手段は、
   前記切替手段によって切り替えられた動作モードに応じて、前記燃料電池及び前記電源から前記部品装置に供給される電力の量を調整する
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の画像形成装置。

Images