JP5286323B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、未定着トナー画像を担持した用紙を加熱及び加圧して未定着トナーを溶融し、用紙に定着する定着装置を備えた画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置においては、像担持体上に形成されたトナー像を転写紙等の記録媒体上に転写した後、記録媒体を定着装置で加熱及び加圧することで記録媒体上にトナー像を定着させて永久像とする。

このような定着装置の加熱源としては、ハロゲンヒータや赤外線ランプ、電磁誘導コイル等が用いられるが、いずれも電流により発生するジュール熱等を利用しているため、電流を熱に変換する際の効率が悪く、消費電力が大きくなるという問題点もあった。

また、定着装置において記録媒体に与えられた熱は空気中へ放熱されるため、画像形成装置の機内温度が上昇してしまう。さらに、記録媒体の熱が無駄に放熱されるのでエネルギーの利用効率が低く、省エネルギー化の面においても不利であった。

そこで、トナー像が転写された記録媒体を効率良く加熱して定着するとともに、記録媒体に付与された熱を定着装置の昇温に利用する技術が提案されており、例えば特許文献１には、ヒートポンプ機能を有する熱変換装置の高温部（放熱部）を定着装置の加熱源とし、熱変換装置の低温部（吸熱部）を定着後の記録媒体の冷却源とした画像形成装置が開示されている。

また、特許文献２には、ヒートポンプの吸熱部材に接触する蓄熱部材と、蓄熱部材の吸熱部材に対する接触位置を変化させるための蓄熱部材移動装置とを備え、加熱開始時に蓄熱部材と吸熱部材とを接触させるとともに、接触位置の温度に応じて蓄熱部材の接触状態を変化させるようにした画像形成装置が開示されている。

特開２００５−２５８００３号公報 特開２００９−３１４０１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、加熱開始直後の吸熱部の過冷却により結露が発生し、定着後の記録媒体を濡らしてしまう。また、凍結が生じることにより吸熱部における熱交換効率が低下し、熱吸収を安定して行うことができない。一方、結露や凍結が生じないようにヒートポンプの動作を徐々に上げていくことも考えられるが、ウォームアップ時間が長くなるという問題がある。さらに、熱変換装置からの熱供給に加えて二次電池からも電力を供給して加熱することも記載されているが、加熱開始直後からヒートポンプを駆動させた場合はやはり吸熱部に結露が発生するおそれがあった。

また、特許文献２の方法では、蓄熱部材及び蓄熱部材移動装置を別途設けるため、装置の大型化に繋がるとともに蓄熱部材の動作制御に複雑な機構が必要となっていた。さらに、蓄熱部材と吸熱部との間で熱の授受が行われている間、ヒートポンプは定着部の加熱効率の向上に寄与していないという欠点もあった。

本発明は、上記問題点に鑑み、定着部により加熱された記録媒体の冷却をヒートポンプの吸熱部を用いて行うとともに、吸熱部で吸収された熱を用いて定着部の加熱を行う画像形成装置において、ヒートポンプの起動時における吸熱部の結露や凍結を効果的に防止できる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、未定着トナー像が担持された記録媒体を加熱及び加圧する定着部と、該定着部の記録媒体搬送方向下流側に配置され前記定着部を通過した記録媒体の熱を吸収する第１吸熱部と、を備えた定着装置と、前記定着部および前記第１吸熱部を含めて構成され、前記吸熱部で吸収した熱を作動流体の循環によって定着部に移動放熱させるヒートポンプと、該ヒートポンプの駆動を制御する制御手段と、を備えた画像形成装置において、前記ヒートポンプは、記録媒体の搬送経路外に配置された第２吸熱部と、該第２吸熱部または前記第１吸熱部のいずれかに作動流体を循環させる切換弁と、を有し、前記第１吸熱部の温度を検知する吸熱部温度センサが設けられており、前記制御手段は、前記ヒートポンプの駆動開始時に前記吸熱部温度センサにより検知された前記第１吸熱部の温度に応じて前記第１吸熱部または前記第２吸熱部のいずれかを選択して作動流体を循環させるとともに、前記第２吸熱部を選択した場合は記録媒体の搬送が開始された後に作動流体の循環経路を前記第１吸熱部に切り換えることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記定着部の温度を検知する定着部温度センサが設けられており、前記制御手段は、前記定着部温度センサの検知温度に基づいて作動流体の循環経路を前記第１吸熱部に切り換えることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記制御手段は、前記吸熱部温度センサの検知温度に基づいて作動流体の循環経路を前記第１吸熱部に切り換えることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記制御手段は、前記ヒートポンプの駆動開始時における前記吸熱部温度センサの検知温度が環境温度以下である場合は前記第２吸熱部を選択して作動流体を循環させ、前記吸熱部温度センサの検知温度が環境温度を超える場合は前記第１吸熱部を選択して作動流体を循環させることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記定着部を加熱する加熱部材が設けられており、前記制御手段は、前記ヒートポンプと前記加熱部材とを併用して前記定着部の温度を制御することを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記定着部及び前記第１吸熱部は、記録媒体の搬送速度と略等速で回動可能な無端状ベルトと、該無端状ベルトに内接するとともに前記ヒートポンプの作動流体を循環させる流路が接続された熱交換部材と、前記無端状ベルトを介して前記熱交換部材に所定の圧力で当接して記録媒体を挿通させるニップ部を形成する加圧ローラとを含むことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記熱交換部材の内部には前記ヒートポンプの作動流体が通過する循環経路が形成されており、前記循環経路内には作動流体の流れ方向に沿って多数のリブが設けられていることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記リブは、前記加圧ローラの圧接方向に前記熱交換部材の内部を貫通するように形成されることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記吸熱部に形成される吸熱ニップ部のニップ幅は、前記定着部に形成される定着ニップ部のニップ幅よりも大きいことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、記録媒体の種類に応じて前記吸熱ニップ部のベルト周方向のニップ幅を変化させることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記無端状ベルトを加熱する加熱部材として、前記無端状ベルトと前記熱交換部材との間に配置され前記無端状ベルトの幅方向全域に接触するヒータを設けたことを特徴としている。

また本発明は、上記構成の画像形成装置において、前記無端状ベルトが金属製または金属薄膜層を有するベルトであり、前記無端状ベルトを加熱する加熱部材として、電磁誘導により前記無端状ベルトを加熱する電磁誘導コイルを設けたことを特徴としている。

本発明の第１の構成によれば、ヒートポンプの起動時に第１吸熱部の温度が所定温度以下である場合はヒートポンプの作動流体を第２吸熱部に循環させることにより、第１吸熱部の過冷却による結露の発生を効果的に防止することができる。また、記録媒体の搬送が開始された後に循環経路が第２吸熱部から第１吸熱部へ切り換えられるため、第１吸熱部の熱を効率良く回収して定着部の加熱に利用することができる。

また、本発明の第２の構成によれば、上記第１の構成の画像形成装置において、定着部の温度を検知する定着部温度センサの検知温度に基づいて作動流体の循環経路を第１吸熱部に切り換えることにより、定着部が定着可能温度まで加熱されたか否かを確実に判断し、記録媒体の搬送の開始を確実に検知して循環経路を第１吸熱部に切り換えることができる。

また、本発明の第３の構成によれば、上記第１の構成の画像形成装置において、吸熱部温度センサの検知温度に基づいて作動流体の循環経路を第１吸熱部に切り換えることにより、吸熱部が所定温度まで上昇した時点で循環経路を第１吸熱部に切り換えることができるため、第１吸熱部の過冷却による結露をより確実に防止できる。

また、本発明の第４の構成によれば、上記第１乃至第３のいずれかの構成の画像形成装置において、ヒートポンプの起動時に第１循環経路または第２循環経路の選択を行う際の、第１吸熱部の検知温度の閾値を環境温度とすることで、装置の使用環境に係わらず第１吸熱部における結露の発生を効果的に防止できる。

また、本発明の第５の構成によれば、上記第１乃至第４のいずれかの構成の画像形成装置において、定着部を加熱する加熱部材を設け、ヒートポンプと加熱部材とを併用して前記定着部の温度を制御することにより、ヒートポンプの起動時に加熱部材にも通電することで、定着部を定着可能温度まで速やかに昇温することができ、装置のウォームアップ時間を短縮することができる。また、厚紙等の熱容量の大きい記録媒体を使用する場合は加熱部材を補助加熱手段として使用することで、定着部の安定した温度制御が可能となる。

また、本発明の第６の構成によれば、上記第１乃至第５のいずれかの構成の画像形成装置において、定着部及び吸熱部を、記録媒体の搬送速度と略等速で回動可能な無端状ベルトと、該無端状ベルトに内接するとともにヒートポンプの作動流体を循環させる流路が接続された熱交換部材と、無端状ベルトを介して熱交換部材に所定の圧力で当接して記録媒体を挿通させるニップ部を形成する加圧ローラとを含む構成とすることにより、加熱ローラを用いた構成と比較して熱容量を低下できるため、定着可能温度に達するまでのウォームアップ時間をより短縮可能となる。また、熱交換部材を固定部材として無端状ベルトの押圧部材と兼用することで、部品点数も少なくなり、熱交換部材と流路との連結部における作動流体の漏れも簡単に且つ確実に防止することができる。

また、本発明の第７の構成によれば、上記第６の構成の画像形成装置において、熱交換部材の内部にヒートポンプの作動流体が通過する多数のリブが設けられた循環経路を形成することにより、熱交換部材と作動流体との接触面積を大きくして熱交換効率を高めることができる。

また、本発明の第８の構成によれば、上記第７の構成の画像形成装置において、加圧ローラの圧接方向に熱交換部材の内部を貫通するようにリブを形成することにより、熱交換部材を押圧部材として兼用する場合に必要な強度を確保しつつ、熱交換部材の肉厚を薄くして熱容量を小さくすることができる。

また、本発明の第９の構成によれば、上記第６乃至第８のいずれかの構成の画像形成装置において、吸熱部に形成される吸熱ニップ部のニップ幅を、定着部に形成される定着ニップ部のニップ幅よりも大きくすることにより、吸熱部での吸熱効率が高くなるため、ヒートポンプの熱交換効率を向上させることができる。

また、本発明の第１０の構成によれば、上記第９の構成の画像形成装置において、記録媒体の種類に応じて吸熱ニップ部のベルト周方向のニップ幅を変化させることにより、定着部と吸熱部での熱交換効率のバランスを記録媒体の熱容量に応じて適切に調整することができる。

また、本発明の第１１の構成によれば、上記第６乃至第１０のいずれかの構成の画像形成装置において、無端状ベルトを加熱する加熱部材として、無端状ベルトと熱交換部材との間に配置され無端状ベルトの幅方向全域に接触するヒータを用いることにより、無端状ベルトを加熱する加熱部材の構成を簡素化、小型化することができる。

また、本発明の第１２の構成によれば、上記第６乃至第１０のいずれかの構成の画像形成装置において、無端状ベルトを金属製または金属薄膜層を有するベルトとし、無端状ベルトを加熱する加熱部材として電磁誘導により無端状ベルトを加熱する電磁誘導コイルを用いることにより、定着部の昇温性能を高めてウォームアップ時間をより短縮することができる。

本発明の画像形成装置の一構成例を示す概略図 本発明の第１実施形態に係る画像形成装置に搭載される定着装置及びヒートポンプの構成を示す模式断面図 図２における定着部の拡大図 図２における吸熱部の拡大図 ヒートポンプの動作を示すＴ−Ｓ線図 図３における熱交換部材の平面図 第１実施形態の画像形成装置の制御経路を示すブロック図 第１実施形態の定着装置の加熱制御例を示すフローチャート 第２循環経路を使用してヒートポンプを作動させた状態を示す模式断面図 第１循環経路を使用してヒートポンプを作動させた状態を示す模式断面図 本発明の第２実施形態に係る画像形成装置に搭載される定着装置の定着部の構成を示す模式断面図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の画像形成装置の概略断面図である。プリンタ１００では、コピー動作を行う場合、装置本体内の画像形成部Ｐにおいて、不図示のパーソナルコンピュータ（以下、パソコンと略す）から送信された原稿画像データに基づく静電潜像が形成され、現像装置４により静電潜像にトナーが付着されてトナー像が形成される。この現像装置４へのトナーの供給はトナーコンテナ５から行われる。そして、このようなプリンタ１００では、感光体ドラム１を図１において時計回りに回転させながら、感光体ドラム１に対する画像形成プロセスが実行される。

画像形成部Ｐには、感光体ドラム１の回転方向（時計回り）に沿って、帯電部２、露光ユニット３、現像装置４、転写ローラ６、クリーニング装置７、及び除電装置（図示せず）が配設されている。感光体ドラム１は、例えばアルミドラムに感光層が積層されたものであり、帯電部２により表面を帯電させるようになっている。そして、後述する露光ユニット３からの光ビームを受けた表面に、帯電を減衰させた静電潜像を形成する。なお、上記の感光層は、特に限定されるものではないが、例えば耐久性に優れるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）や、帯電時のオゾンの発生が少なく高解像度の画像が得られる有機感光層（ＯＰＣ）等が好ましい。

帯電部２は、感光体ドラム１の表面を均一に帯電させるものである。例えば帯電部２として、細いワイヤー等を電極として高電圧を印加することにより放電するコロナ放電装置が用いられる。なお、コロナ放電装置に代えて、帯電ローラに代表される帯電部材を感光体表面に接触させた状態で電圧を印加する接触式の帯電装置を用いても良い。露光ユニット３は、画像データに基づいて光ビーム（例えばレーザビーム）を感光体ドラム１に照射し、感光体ドラム１の表面に静電潜像を形成する。

現像装置４は、感光体ドラム１の静電潜像にトナーを付着させてトナー像を形成させるものである。なお、ここでは磁性を有するトナー成分のみから構成される一成分現像剤（以下、単にトナーともいう）が現像装置４に収容されている。転写ローラ６は、感光体ドラム１表面に形成されたトナー像を乱さずに用紙搬送路１１を搬送されてくる用紙に転写する。クリーニング装置７は、感光体ドラム１の長手方向に線接触するクリーニングローラやブレード材等を備えており、トナー像が用紙に転写された後に、感光体ドラム１の表面に残った残留トナーを除去する。

そして、予めパソコン等から入力された画像データに基づいて露光ユニット３が感光体ドラム１上にレーザビーム（光線）を発することで、その画像データに基づく静電潜像を感光体ドラム１表面に形成する。その後、現像装置４が静電潜像にトナーを付着させてトナー像を形成する。

上記のようにトナー像が形成された画像形成部Ｐに向けて、用紙収容部１０から用紙が用紙搬送路１１及びレジストローラ対１３を経由して所定のタイミングで搬送され、画像形成部Ｐにおいて転写ローラ６により感光体ドラム１表面のトナー像が用紙に転写される。そして、トナー像が転写された用紙は感光体ドラム１から分離され、定着装置８に搬送されて加熱及び加圧されることで用紙にトナー像が定着される。

定着装置８は、トナー像が転写された用紙を加熱及び加圧する定着部８ａと、定着部８ａの用紙搬送方向下流側に配置される吸熱部８ｂとで構成されている。吸熱部８ｂは、定着部８ａで加熱された用紙から放出される熱を吸収して用紙を冷却するとともに、吸収した熱をヒートポンプ２０の圧縮機３３（図２参照）を介して定着部８ａに供給する。定着装置８を通過した用紙は、排出ローラ対１４を通過して用紙排出部１５に排出される。

図２は、本発明の第１実施形態の画像形成装置に搭載される定着装置及びヒートポンプの構成を示す模式断面図であり、図３及び図４は、図２における定着部及び吸熱部の拡大図である。図２及び図３に示すように、定着部８ａは、図中時計回りに回動する無端状ベルト２１ａと、無端状ベルト２１ａに所定の圧力で当接して定着ニップ部Ｎ１を形成する加圧ローラ２３ａと、無端状ベルト２１ａに内接する熱交換部材２５ａと、無端状ベルト２１ａの表面温度を検知する定着部サーミスタ６０ａと、を含む構成である。熱交換部材２５ａにはヒートポンプ２０の作動流体（冷媒）を循環させるための流路３０ｃおよび３０ｄが連結されている。また、熱交換部材２５ａは定着ニップ部Ｎ１を形成するための押圧部材を兼ねている。

図２及び図４に示すように、吸熱部８ｂは図３に示す定着部８ａとほぼ同一の構成であり、図中時計回りに回動する無端状ベルト２１ｂと、無端状ベルト２１ｂに所定の圧力で当接して吸熱ニップ部Ｎ２を形成する加圧ローラ２３ｂと、無端状ベルト２１ｂに内接する熱交換部材２５ｂと、無端状ベルト２１ｂの表面温度を検知する吸熱部サーミスタ６０ｂと、を含む。熱交換部材２５ｂにはヒートポンプ２０の作動流体を循環させるための流路３０ａおよび３０ｂが連結されている。また、熱交換部材２５ｂは吸熱ニップ部Ｎ２を形成するための押圧部材を兼ねている。

ヒートポンプ２０は吸熱部（蒸発器）８ｂで吸収された熱を定着部（凝縮器）８ａに付与して加熱効率を高めるものである。図５は、ヒートポンプ２０の動作を示すＴ−Ｓ線図（温度変化とエントロピ変化との関係を示すグラフ）である。図２及び図５を用いて、ヒートポンプ２０の構成及び動作について説明する。図２に示すように、ヒートポンプ２０は、蒸発器８ｂ、圧縮機３３、凝縮器８ａ、及び膨張弁３７を備え、作動流体として冷媒を使用する蒸気圧縮冷凍サイクルのヒートポンプである。

吸熱部８ｂが吸収した熱量Ｑ２は、熱交換部材２５ｂを介して作動流体に供給される。蒸発器（吸熱部）８ｂは、この作動流体を蒸発させて乾き飽和蒸気Ａにし、流路３０ｂを介して圧縮機３３に送る。圧縮機３３は、蒸発器８ｂによって蒸発させられた作動流体（乾き飽和蒸気Ａ）を凝縮器（定着部）８ａにおける所望温度に対する飽和蒸気圧以上の圧力まで圧縮して過熱飽和蒸気Ｂにし、流路３０ｃを介して凝縮器８ａに送る。凝縮器８ａに送られた過熱飽和蒸気Ｂは熱交換部材２５ａを介して無端状ベルト２１ａに熱量Ｑ１を供給（放出）する。これにより作動流体は冷却され、液化して飽和液Ｃとなる。この飽和液Ｃは流路３０ｄを介して膨張弁３７に送られ、膨張弁３７によって等エンタルピ膨張して湿り蒸気Ｄとなり、流路３０ａを介して蒸発器８ｂに送られ、上記した熱サイクルを繰り返す。

このヒートポンプ２０を使用することにより、吸熱部８ｂで用紙Ｓから放出される熱を吸収して吸熱部８ｂよりも高温の定着部８ａへ熱を供給し、無端状ベルト２１ａの加熱に利用することができる。これにより、電力によって加熱する加熱手段（ハロゲンヒータ等）を用いて無端状ベルト２１ａを加熱する場合に比べて、加熱電力を削減できる。

また、本発明に用いられるヒートポンプ２０は、第１吸熱部８ｂと圧縮機３３との間で作動流体を循環させる流路３０ｂにバイパス流路３０ｅを連結し、流路３０ｂとバイパス流路３０ｅとの連結部に切換弁２９ａを配置している。また、バイパス流路３０ｅはアルミ合金、銅合金等の熱伝導率の高い材料で形成された第２吸熱部２６に連結されている。第２吸熱部２６を通過したバイパス流路３０ｅは、第１吸熱部８ｂと膨張弁３７との間で作動流体を循環させる流路３０ａに連結され、流路３０ａとバイパス流路３０ｅとの連結部に切換弁２９ｂを配置している。

第２吸熱部２６は内部に多数のリブ２７が形成されており、バイパス流路３０ｅ内を循環する作動流体はリブ２７によって形成される多数の隙間を通過する。この構成により、第２吸熱部２６と作動流体との接触面積が大きくなるため、第２吸熱部２６と作動流体との間で効率良く熱交換が行われる。また、第２吸熱部２６の表面には外気からの吸熱効率を高めるために多数の吸熱フィン２８が形成されている。さらに、ファン（図示せず）を用いて吸熱効果を高めても良い。

無端状ベルト２１ａ、２１ｂは、最内側（熱交換部材２５ａ、２５ｂ側）に設けられたベース層や最外側（加圧ローラ２３ａ、２３ｂ側）に設けられた離型層を含む複数の層が積層されて成る無端状のベルトである。

ベース層としては、ニッケル等の金属をメッキ、又は圧延処理した金属層、或いはポリイミドフィルム等の合成樹脂層が用いられる。離型層としては、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）等のフッ素系樹脂が用いられ、塗料の塗布やチューブを被せることによって形成されている。離型層は、ＰＦＡチューブであれば１０〜５０μｍ、フッ素樹脂塗料であれば１０〜３０μｍ程度の厚さが適当である。

また、ベース層と離型層との間に、弾性部材層として厚さ１００〜１０００μｍ程度のシリコンゴム層を設けても良い。この構成によれば、弾性部材が用紙上の未定着トナー像を包み込んで、ソフトに定着できる。その結果、画像の高画質化を図ることが可能となり、高性能な定着装置を得ることができる。

上記のような構成の無端状ベルト２１ａを使用することにより、加熱ローラを用いた構成と比較して低熱容量化を図ることが可能である。その結果、高い加熱効率を得ることができ、無端状ベルト２１ａの表面が定着可能な温度に達するまでのウォームアップ時間を、より短くすることが可能である。

また、無端状ベルト２１ａのベース層と離型層との間に蓄熱層を設けて熱交換部材２５ａから得た熱を逃がさないようにし、且つ無端状ベルト２１ａの表面の温度を均一に保持することもできる。その結果、さらに高い加熱効率が得られるとともに、ウォームアップ時間の短縮及び消費電力の低減効果を高めることが可能となる。

蓄熱層は、シリカやアルミナ、酸化マグネシウム等の金属酸化物の粉末をフィラーとして配合して熱伝導率を高めたシリコンゴムや、アルミ、銅、ニッケル等の熱伝導率の高い金属で構成され、これらをチューブ状に成型したものを被覆する、或いはメッキするなどして設けられている。蓄熱層は、シリコンゴムのように弾性がある材料であれば良いが、金属で構成した場合、肉厚を厚くし過ぎるとベルトの硬度が上がり、トナーを溶融するのに必要なニップ量が得られなくなってしまう。したがって、蓄熱層の厚さは、１０〜１０００μｍ、望ましくは５０〜５００μｍとする。

また、無端状ベルト２１ａ、２１ｂの幅方向の両端部には無端状ベルト２１ａ、２１ｂを一定の形状（ここでは円筒状）に保持するフランジ部材（図示せず）が嵌め込まれている。フランジ部材は定着装置８内に固定されており、無端状ベルト２１ａ、２１ｂはフランジ部材の外周面に沿って摺動する。

また、無端状ベルト２１ａ、２１ｂの表面に接するように定着部サーミスタ６０ａ、吸熱部サーミスタ６０ｂ（図３、図４参照）が備えられている。この定着部サーミスタ６０ａ及び吸熱部サーミスタ６０ｂにより無端状ベルト２１ａ、２１ｂの温度を検知し、ヒートポンプ２０のＯＮ／ＯＦＦを制御することによって定着温度の制御を行うとともに、切換弁２９ａ、２９ｂを作動させてヒートポンプ２０内を循環する作動流体の循環経路の切り換えを行う。なお、制御手順の詳細については後述する。

加圧ローラ２３ａ、２３ｂは、ステンレス等からなる金属製のシャフトの外側に、スポンジシリコンゴム等から成る弾性層が設けられている。この加圧ローラ２３ａ、２３ｂが無端状ベルト２１ａ、２１ｂを介して熱交換部材２５ａ、２５ｂと所定の圧力で当接することで、用紙Ｓを挿通させる定着ニップ部Ｎ１及び吸熱ニップ部Ｎ２を形成する。加圧ローラ２３ａ、２３ｂは、駆動モータ及び駆動ギヤ（いずれも図示せず）によって、その周速が用紙の搬送速度と略同じになるように回転駆動される。また、定着ニップ部Ｎ１、吸熱ニップ部Ｎ２においてそれぞれ加圧ローラ２３ａ、２３ｂに当接する無端状ベルト２１ａ、２１ｂは加圧ローラ２３ａ、２３ｂに従動して用紙の搬送速度と略同じ速度で回動する。

熱交換部材２５ａ、２５ｂは、アルミ合金、銅合金等の熱伝導率の高い材料で形成することが好ましい。これにより、熱交換部材２５ａ、２５ｂの熱伝導率が良くなり、作動流体の熱が効率良く無端状ベルト２１ａに伝わるため、定着装置８のウォームアップ時間を短縮することができる。また、熱交換部材２５ａ、２５ｂの内部には加圧ローラ２３ａ、２３ｂの圧接方向（ここでは垂直方向）に多数のリブ２７が形成されている。

図６は、熱交換部材２５ａの平面図である。図６に示すように、熱交換部材２５ａの両端部には流路３０ｃおよび３０ｄが連結されており、流路３０ｃおよび３０ｄ内を循環する作動流体はリブ２７によって形成される多数の隙間を通過する。この構成により、熱交換部材２５ａと作動流体との接触面積が大きくなるため、熱交換部材２５ａと作動流体との間で効率良く熱交換が行われる。

また、加圧ローラ２３ａの圧接方向にリブ２７を形成することにより、熱交換部材２５ａの強度も向上するため、定着ニップ部Ｎ１を形成する押圧部材として必要な強度を確保しつつ、熱交換部材２５ａの肉厚を薄くして熱容量を小さくすることができる。

さらに、無端状ベルト２１ａのみが回転するベルト定着方式を採用することで、熱交換部材２５ａを固定部材とすることができる。これにより、熱交換部材２５ａと流路３０ｃおよび３０ｄとの連結部における作動流体の漏れも簡単に且つ確実に防止することができる。なお、ここでは定着部８ａに配置される熱交換部材２５ａの構成について説明したが、吸熱部８ｂに配置される熱交換部材２５ｂの構成も全く同様である。

次に、本発明の画像形成装置の制御経路について説明する。図７は、第１実施形態の画像形成装置に用いられる制御経路の一例を示すブロック図である。なお、プリンタ１００を使用する上で装置各部の様々な制御がなされるため、プリンタ１００全体の制御経路は複雑なものとなる。そこで、ここでは制御経路のうち、本発明の実施に必要となる部分を重点的に説明する。

制御部９０は、中央演算処理装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、読み出し専用の記憶部であるＲＯＭ（Read Only Memory）９２、読み書き自在の記憶部であるＲＡＭ（Random Access Memory）９３、一時的に画像データ等を記憶する一時記憶部９４、カウンタ９５、プリンタ１００内の各装置に制御信号を送信したり操作部５０からの入力信号を受信したりする複数（ここでは２つ）のＩ／Ｆ（インターフェイス）９６を少なくとも備えている。また、制御部９０は、装置本体内部の任意の場所に配置可能である。

ＲＯＭ９２には、プリンタ１００の制御用プログラムや、制御上の必要な数値等、プリンタ１００の使用中に変更されることがないようなデータ等が収められている。ＲＡＭ９３には、プリンタ１００の制御途中で発生した必要なデータや、プリンタ１００の制御に一時的に必要となるデータ等が記憶される。カウンタ９５は、印刷枚数を積算してカウントする。

また、制御部９０は、プリンタ１００における各部分、装置に対し、ＣＰＵ９１からＩ／Ｆ９６を通じて制御信号を送信する。また、各部分、装置からその状態を示す信号や入力信号がＩ／Ｆ９６を通じてＣＰＵ９１に送信される。制御部９０が制御する各部分、装置としては、例えば、画像形成部Ｐ、定着装置８、ヒートポンプ２０、画像入力部４０、電力供給部４１、操作部５０等が挙げられる。

画像入力部４０は、パソコン等からプリンタ１００に送信される画像データを受信する受信部である。画像入力部４０より入力された画像信号はデジタル信号に変換された後、一時記憶部９４に送出される。

電力供給部４１は、制御部９０からの出力信号によりヒートポンプ２０を含む装置各部に所定の電力を供給する。

操作部５０には、液晶表示部や各種の状態を示すＬＥＤ等が設けられており、プリンタ１００の状態を示したり、画像形成状況や印刷部数を表示したりするようになっている。プリンタ１００の各種設定はパソコンのプリンタドライバから行われる。

その他、操作部５０には、画像形成を中止する際等に使用するストップ／クリアボタン、プリンタ１００の各種設定をデフォルト状態にする際に使用するリセットボタン等が設けられている。

図８は、第１実施形態の画像形成装置における定着装置の駆動制御の一例を示すフローチャートである。図１〜図７を参照しながら、図８のステップに沿って第１実施形態の画像形成装置における定着装置の加熱手順について説明する。

パソコン等から制御部９０に印字命令が入力されると（ステップＳ１）、ＣＰＵ９１は吸熱部サーミスタ６０ｂにより第１吸熱部８ｂの無端状ベルト２１ｂの表面温度Ｔ２を検知し、検知された表面温度Ｔ２が外気温Ｔ０以下であるか否かを判断する（ステップＳ２）。表面温度Ｔ２がＴ０以下である場合は、ＣＰＵ９１から切換弁２９ａ、２９ｂに制御信号を送信し、図９にハッチングで示すように、バイパス流路３０ｅを介して第２吸熱部２６と圧縮機３３および膨張弁３７との間で作動流体が循環する経路（以下、第２循環経路という）を使用する（ステップＳ３）。

一方、表面温度Ｔ２がＴ０以下である場合は、図１０にハッチングで示すように、流路３０ａおよび３０ｂを介して第１吸熱部８ｂと圧縮機３３および膨張弁３７との間で作動流体が循環する経路（以下、第１循環経路という）を使用する（ステップＳ４）。

次に、ＣＰＵ９１から電力供給部４１に制御信号を送信し、ヒートポンプ２０に電力を供給する（ステップＳ５）。そして、定着部８ａの定着部サーミスタ６０ａにより無端状ベルト２１ａの表面温度Ｔ１を検知し、所定の定着可能温度Ｔｓに到達した場合は通紙（印字）を開始する（ステップＳ６）。

その後、第１循環経路または第２循環経路のどちらを使用しているかを確認し（ステップＳ７）、第２循環経路を使用している場合は、表面温度Ｔ２がＴ０を超えたか否かを判断し（ステップＳ８）、Ｔ２＞Ｔ０となった時点で切換弁２９ａ、２９ｂを作動させて第１循環経路に切り換える（ステップＳ９）。また、第１循環経路を使用している場合は切換弁２９ａ、２９ｂを作動させずに通紙を継続する。

そして、通紙が終了したか否かが判断され（ステップＳ１０）、通紙が終了している場合はヒートポンプ２０への通電をＯＦＦとして（ステップＳ１１）処理を終了する。通紙が継続している場合はステップＳ７に戻り、以下同様の制御を行う（ステップＳ７〜Ｓ１０）。

上記の制御によれば、ヒートポンプ２０の起動時において第１吸熱部８ｂの無端状ベルト２１ｂの表面温度が外気温以下である場合は、ヒートポンプ２０の作動流体が第２吸熱部２６を循環する第２循環経路を使用するため、第１吸熱部８ｂから熱が奪われない。その結果、ウォームアップ時における第１吸熱部８ｂの過冷却が防止され、第１吸熱部８ｂでの結露の発生を効果的に抑制することができる。

また、定着部８ａが定着可能温度まで昇温され、通紙が開始されて無端状ベルト２１ｂの表面温度が外気温よりも高くなった場合は切換弁２９ａ、２９ｂにより第２循環経路から第１循環経路に切り換えられる。これにより、第１吸熱部８ｂにおいて回収された用紙Ｓの熱量を定着部８ａにフィードバックして定着部８ａの加熱に使用することができる。さらに、直前の印字動作により無端状ベルト２１ｂが予め暖められている場合は、ヒートポンプ２０の起動時から第１循環経路を使用することで第１吸熱部８ｂの熱を回収できる。

なお、第２循環経路の使用中は第２吸熱部２６から熱が奪われ、第２吸熱部２６が過冷却される。そのため、ウォームアップ時に第２吸熱部２６の表面に結露が発生することがあるが、第２吸熱部２６は用紙の搬送経路外に配置されており、搬送されてきた用紙Ｓが結露により濡れる心配はない。

ここで、定着部８ａにおいて用紙Ｓに付与された熱量を第１吸熱部８ｂで完全に回収することは困難であり、熱の一部は用紙Ｓに残存するか、或いは用紙搬送路１１や加圧ローラ２３ｂ等に移行する。第１吸熱部８ｂで極力多くの熱量を回収して定着部８ａの加熱効率を向上させるためには、無端状ベルト２１ｂの周方向における吸熱ニップ部Ｎ２の長さを無端状ベルト２１ａの周方向における定着ニップ部Ｎ１よりも大きくして、吸熱部８ｂでの吸熱効率を極力高くすることが好ましい。

また、用紙の熱容量は用紙の厚みや種類によって変化するため、用紙の種類毎に設定された無端状ベルト２１ｂの周方向における吸熱ニップ部Ｎ２の長さを予めＲＯＭ９２（或いはＲＡＭ９３）に記憶させておき、使用する用紙の種類に応じて最適な長さを選択することが好ましい。吸熱ニップ部Ｎ２の長さは、加圧ローラ２３ｂの圧接力やゴム硬度により調整可能である。

なお、図８の制御は一例であり、これに限定されないのはもちろんである。例えば、図８の制御では表面温度Ｔ２がＴ０を超えた時点で第２循環経路から第１循環経路へ切り換えることとしたが、定着部８ａが定着可能温度まで上昇し、通紙が開始されるタイミングと第１吸熱部８ｂの温度が上昇するタイミングとはほぼ同時とみなされる。そこで、通紙が開始された時点、或いは定着部８ａの無端状ベルト２１ａの表面温度が所定の定着可能温度に上昇した時点で循環経路を第２循環経路から第１循環経路へ切り換えるようにしても良い。

図１１は、本発明の第２実施形態の画像形成装置に搭載される定着装置の定着部の構成を示す模式断面図である。本実施形態の定着部８ａは、無端状ベルト２１ａと熱交換部材２５ａとの間に配置されるヒータ７０を備えている。なお、定着部８ａの他の部分については図３に示す第１実施形態の定着部８ａと同様であり、第１吸熱部８ｂ、ヒートポンプ２０、第２吸熱部２６等の構成についても図２に示す第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

ヒータ７０は、熱交換部材２５ａと無端状ベルト２１ａとの間に長手方向（図の紙面方向）のほぼ全域に渉って延在している。ヒータ７０としては、赤外線を効率良く輻射するセラミックヒータのような面状ヒータやハロゲンヒータ等が用いられる。なお、ヒータ７０以外の他の加熱手段を用いても良い。例えば、ステンレスやニッケル等の金属製の無端状ベルト２１ａを電磁誘導方式で加熱する電磁誘導コイルを無端状ベルトの周囲に配置する方法が挙げられる。

例えば、ヒートポンプ２０の起動時にヒータ７０にも通電を行うことで、定着部８ａを定着可能温度まで速やかに昇温することができ、プリンタ１００のウォームアップ時間を短縮することができる。また、厚紙等の熱容量の大きい用紙を通紙する場合は定着部８ａでの放熱量が大きくなり、定着部８ａの温度が急激に低下するためヒートポンプ２０のみでは温度制御が不安定になる。このような場合は通紙開始後もヒータ７０を補助加熱手段として使用すれば良い。

その他本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば上記実施形態では、図２に示した１段圧縮方式のヒートポンプ２０を用いたが、圧縮機を２つ設けた２段圧縮方式や、圧縮機及び膨張弁をそれぞれ２つずつ設けた２段圧縮２段膨張方式のヒートポンプを用いることもできる。

また、本発明の定着装置は、図１に示したようなモノクロプリンタに限らず、デジタル複合機、タンデム式のカラー複写機やカラープリンタ、或いはファクシミリ等の電子写真プロセスを用いた種々の画像形成装置に適用できる。

外気温２５℃の環境条件下において、図２に示した定着装置８及びヒートポンプ２０を備えた、図１に示したモノクロプリンタ１００の定着部８ａの温度を１８０℃、定着ニップ部Ｎ１のニップ幅を１０ｍｍ、吸熱ニップ部Ｎ２のニップ幅を１５ｍｍ、通紙速度を２００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。この条件で、ヒートポンプの起動時は第２循環経路を使用し、無端状ベルト２１ｂの表面温度が外気温を超えた時点で第２循環経路から第１循環経路へ切り換えた場合（本発明）と、ヒートポンプの起動時から第１循環経路のみを使用した場合（比較例）とで、無端状ベルト２１ｂ表面の結露の発生を比較した。

その結果、循環経路の切り換えを行った本発明では、無端状ベルト２１ｂの表面に結露が発生せず、吸熱ニップ部Ｎ２を通過した用紙が濡れることはなかった。これに対し、循環経路の切り換えを行わなかった比較例では、ヒートポンプ２０の起動後直ぐに無端状ベルト２１ｂの表面に結露が発生し、吸熱ニップ部Ｎ２を通過した用紙に水滴が付着した。また、そのままヒートポンプの稼働を続けたところ、熱交換部材２５ｂが凍結してしまい、吸熱部８ｂにおける熱交換性能が著しく低下した。

本発明は、ヒートポンプ機能を有する熱変換装置の放熱部を用いて定着装置を加熱し、熱変換装置の吸熱部を用いて加熱された記録媒体の冷却を行う画像形成装置に利用可能であり、ヒートポンプの吸熱部として記録媒体の冷却を行う第１吸熱部と、記録媒体の搬送経路外に配置された第２吸熱部とを設け、ヒートポンプの起動時に第１吸熱部の温度を検知し、検知結果に応じてヒートポンプの作動流体の循環経路を第１吸熱部と第２吸熱部のいずれかを選択して作動流体を循環させ、第２吸熱部を選択した場合は記録媒体の搬送が開始された後に作動流体の循環経路を第１吸熱部に切り換えるものである。

これにより、ヒートポンプの起動時に第１吸熱部の過冷却を防止でき、第１吸熱部における結露の発生を防止可能な画像形成装置を簡便且つ低コストで提供することができる。

８ 定着装置
８ａ 定着部（凝縮器）
８ｂ 第１吸熱部（蒸発器）
２０ ヒートポンプ
２１ａ、２１ｂ 無端状ベルト
２３ａ、２３ｂ 加圧ローラ
２５ａ、２５ｂ 熱交換部材
２６ 第２吸熱部
２７ リブ
２９ａ、２９ｂ 切換弁
３０ａ〜３０ｄ 流路
３０ｅ バイパス流路
３３ 圧縮機
３７ 膨張弁
４１ 電力供給部
６０ａ 定着部サーミスタ（定着部温度センサ）
６０ｂ 吸熱部サーミスタ（吸熱部温度センサ）
７０ ヒータ（加熱部材）
９０ 制御部（制御手段）
１００ プリンタ
Ｎ１ 定着ニップ部
Ｎ２ 吸熱ニップ部

Claims (12)

1. 未定着トナー像が担持された記録媒体を加熱及び加圧する定着部と、該定着部の記録媒体搬送方向下流側に配置され前記定着部を通過した記録媒体の熱を吸収する第１吸熱部と、を備えた定着装置と、
   前記定着部および前記第１吸熱部を含めて構成され、前記第１吸熱部で吸収した熱を作動流体の循環によって前記定着部に移動放熱させるヒートポンプと、
   該ヒートポンプの駆動を制御する制御手段と、
   を備えた画像形成装置において、
   前記ヒートポンプは、記録媒体の搬送経路外に配置された第２吸熱部と、該第２吸熱部または前記第１吸熱部のいずれかに作動流体を循環させる切換弁と、を有し、前記第１吸熱部の温度を検知する吸熱部温度センサが設けられており、
   前記制御手段は、前記ヒートポンプの駆動開始時に前記吸熱部温度センサにより検知された前記第１吸熱部の温度に応じて前記第１吸熱部または前記第２吸熱部のいずれかを選択して作動流体を循環させるとともに、前記第２吸熱部を選択した場合は記録媒体の搬送が開始された後に作動流体の循環経路を前記第１吸熱部に切り換えることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記定着部の温度を検知する定着部温度センサが設けられており、前記制御手段は、前記定着部温度センサの検知温度に基づいて作動流体の循環経路を前記第１吸熱部に切り換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. 前記制御手段は、前記吸熱部温度センサの検知温度に基づいて作動流体の循環経路を前記第１吸熱部に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
4. 前記制御手段は、前記ヒートポンプの駆動開始時における前記吸熱部温度センサの検知温度が環境温度以下である場合は前記第２吸熱部を選択して作動流体を循環させ、前記吸熱部温度センサの検知温度が環境温度を超える場合は前記第１吸熱部を選択して作動流体を循環させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の画像形成装置。
5. 前記定着部を加熱する加熱部材が設けられており、前記制御手段は、前記ヒートポンプと前記加熱部材とを併用して前記定着部の温度を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の画像形成装置。
6. 前記定着部及び前記第１吸熱部は、記録媒体の搬送速度と略等速で回動可能な無端状ベルトと、該無端状ベルトに内接するとともに前記ヒートポンプの作動流体を循環させる流路が接続された熱交換部材と、前記無端状ベルトを介して前記熱交換部材に所定の圧力で当接して記録媒体を挿通させるニップ部を形成する加圧ローラとを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の画像形成装置。
7. 前記熱交換部材の内部には前記ヒートポンプの作動流体が通過する循環経路が形成されており、前記循環経路内には作動流体の流れ方向に沿って多数のリブが設けられていることを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
8. 前記リブは、前記加圧ローラの圧接方向に前記熱交換部材の内部を貫通するように形成されることを特徴とする請求項７に記載の画像形成装置。
9. 前記吸熱部に形成される前記吸熱ニップ部のベルト周方向のニップ幅は、前記定着部に形成される前記定着ニップ部のベルト周方向のニップ幅よりも大きいことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の画像形成装置。
10. 記録媒体の種類に応じて前記吸熱ニップ部のベルト周方向のニップ幅を変化させることを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。
11. 前記無端状ベルトを加熱する加熱部材として、前記無端状ベルトと前記熱交換部材との間に配置され前記無端状ベルトの幅方向全域に接触するヒータを設けたことを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の画像形成装置。
12. 前記無端状ベルトが金属製または金属薄膜層を有するベルトであり、前記無端状ベルトを加熱する加熱部材として、電磁誘導により前記無端状ベルトを加熱する電磁誘導コイルを設けたことを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載の画像形成装置。

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