JP2003512635A - 交流コロナ帯電構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交流コロナ帯電構成は、容量接続１４を介して交流電圧源１０に接続され、直流電圧源２０に接続された導電性シールド１８によって部分的に取り囲まれたコロナ発生装置１０を含む。ある実施形態において、コロナ発生装置１０は、約５０ミクロンの直径を有する電線１２であり、別の実施形態において、コロナ発生装置１０は、対応する容量５０を介して交流電圧源に接続されたピン４０の列である。交流電圧源１６とコロナ発生装置１０との間の容量１４の存在は、帯電装置１０と隣接した導電性プレートの間の電流とシールド電圧との関係を表す下向き凹状曲線２８を提供し、感光体表面の帯電の高い帯電率とより高い均一性をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

本発明は、コロナ帯電構成に関し、特に改良された交流コロナ帯電構成に関す
る。

【０００２】

【発明の背景】

市販用ゼログラフィーが出現して以来、ゼログラフィー複写機において、従来
、表面に電荷を与えるためにコロナ放電装置が使用されている。コロナ放電装置
は、直径の小さな電線と、高い電圧が与えられるとイオンを発生するポイントの
アレーの両方を含む。元来、数千ボルトという直流電圧をコロナ放電装置に与え
て付近の空気分子をイオン化し、電荷は、装置から反発され、帯電される感光体
のような、より低い電位の隣接面に引き寄せられる。しかし、制御を行っていな
いので、このような帯電構成は、過度の不均一な電荷を隣接面に与えがちである
。

【０００３】 均一な帯電分布を提供し過帯電を防ぐように隣接面への電荷の付加を制御する
ために、導電性スクリーンが、「コロノード（coronode）」と呼ばれることがあ
るコロナ放電装置と帯電される表面との間に配置されている。このような遮蔽さ
れたコロナ放電装置は、「スコロトロン（scorotrons）」と呼ばれている。典型
的なスコロトロン構成については、ウォークアップ（Walkup）の米国特許第２，
７７７，９５７号およびメイヨー（Mayo）の米国特許第２，７７８，９４６号に
記載されている。しかし、初期のスコロトロンでは、コロナ装置の帯電効率はた
ったの３％ほどに低下した。すなわち、コロナ電線で発生する１００イオンのう
ち約３イオンだけしか、帯電される表面へ達しなかったのである。スコロトロン
はまた、帯電の均一性および大きさについての制御が不十分であり、帯電面が、
スクリーン電位を１００％以上超える電圧になることもあった。現在用いられて
いる改良されたスコロトロンは、通常、表面電位をスクリーンに与えられる基準
電圧の約３％の範囲内に制御し、約３０％〜５０％の効率で動作するが、複雑で
あり、したがって高価になる傾向がある。モット（Mott）の米国特許第３，０７
６，０９２号において、制御スクリーンを必要としない直流バイアス交流コロナ
帯電構成が開示されている。

【０００４】 別のコロナ放電装置は、高電圧が与えられる１列のピンまたは２列の互い違い
に配列されたピンを含み、ピンの先端にコロナ発生電界を生じさせるようになっ
ている。

【０００５】 このようなコロナ放電装置または「コロノード」は、空気中の酸素及び窒素分
子をイオン化するので、通常、化学的な腐食を起こす傾向がある硝酸塩化合物だ
けでなく、好ましくない程度のオゾンを発生させる。帯電装置のコロノード電線
と低電圧コンダクタまたは高い帯電率で帯電される表面との間でアークを発生さ
せる傾向を防ぎ、同時に高い電流出力を提供するために、通常、大きな帯電装置
が必要とされる。

【０００６】 さらに別のコロナ帯電構成は、「ディコロトロン（dicorotron）」と呼ばれ、
交流電圧が与えられるガラス被覆されたコロナ電線、および帯電される感光体に
一方の極性電荷を帯電し、反対の極性電荷を自身に引き寄せる隣接した直流電極
を含む。しかし、ディコロトロンは、壊れやすく高価であり、被覆された電線の
半径がより大きいために非常に高い交流電圧（８−１０ｋＶ）を必要とする。デ
ィコロトロンはまた、高レベルのオゾンおよび硝酸塩を発生し、アーク発生を防
ぐためにコロナ電線と低電圧導電素子および帯電される表面との間隔が相当必要
である。

【０００７】 導電コロナ電線からの負コロナ放出は、典型的には、コロナ電線に沿って不規
則な間隔で配置された電子放出およびイオン化のポイントの集合から成る。理由
は完全には解明されていないが、このコロナ放出ポイントまたは「ホットスポッ
ト（hot spots）」間の間隔は、相対湿度が低くなると大きくなり、隣接面は非
常に不均一に帯電されることになる。コロナ放出ポイント間の間隔はまた、コロ
ナ電線に与えられる負電圧が低くなってコロナ閾電圧（corona threshold volta
ge）に近くなる程大きくなる。

【０００８】 特に灰色または同等の中性濃度の中間範囲のカラーという広い領域を含む画像
の再生用の高品質なゼログラフィー画像形成は、コロナ帯電装置の長さに沿って
、隣接面に与えられる単位領域当たりの電荷のばらつきがプラスマイナス３％と
いう高い均一性の帯電を要求する。感光体の表面電位が４次定数以内に最終的な
漸近線電圧の約２％まで帯電される上記の型のスコロトロン帯電装置が、非常に
望ましい。しかし、スコロトロンは、非効率であって大きなスペースを必要とし
、集じんに影響されやすい。さらに、スコロトロンは比較的効率が低いので、よ
り効率的な帯電装置よりも多くのオゾンが発生することになる。

【０００９】

【発明の開示】

従って、本発明の目的は、従来の帯電構成と比較して効率性が改良されコスト
効果が高められたコロナ帯電構成を提供することである。

【００１０】 本発明の別の目的は、コロノードと帯電される表面または隣接した導電面との
間のアーク発生の傾向を低減し、アーク発生が起こった場合にはエネルギーおよ
び結果としての損失を制限するコロナ帯電構成を提供することである。

【００１１】 本発明のさらに別の目的は、確実に正および負のコロナ電荷を均等に発生する
交流コロナ帯電構成を提供することである。

【００１２】 本発明のもう１つの目的は、コロノードから被覆されていないプレートへの電
流とコロノードに隣接したシールドに与えられる電圧との関係を表す曲線の形が
、原点の近くを通り、下向き凹状であって、帯電漸近線が明確に規定されたコロ
ナ帯電構成を提供することである。

【００１３】 本発明のもう１つの目的は、コロナ風によってダストおよび他の浮遊小粒子を
コロナ帯電ユニット内へまたはコロナ帯電ユニットを通り抜けて運ぶ傾向を低減
するコロナ帯電構成を提供することである。

【００１４】 本発明のもう１つの目的は、空中浮遊トナーおよび他の絶縁粒子の残滓に非常
に影響されないコロナ帯電構成を提供することである。

【００１５】 本発明の上記および他の目的は、高い定格電圧を有するコンデンサを介してコ
ロナ発生用高電位、高周波数交流電力源に接続されたコロノードおよび直流バイ
アス電位に接続されたコロノードに隣接した制御シールドを設けることによって
達成される。コンデンサを介しての交流電力源へのコロノードの接続は、高速プ
リンタ用の十分な帯電率を提供するのに十分高い電荷電流を可能にしながらも、
電線から隣接面への高電流アークを防止する。

【００１６】 好ましい実施形態において、コロノードは約５０ミクロンの直径を有する電線
であり、電線に与えられるピーク・ピーク交流電位は、約５．５ｋＶ〜７．０ｋ
Ｖであり、交流電力源とコロナ電線との間に接続されたコンデンサの容量は電線
１ｃｍ当たり約０．６ナノファラッド〜７ナノファラッドであって、好ましくは
約２ナノファラッドであり、電線を部分的に取り囲む隣接した導電性金属シール
ドに供給される直流電位は、約−５００〜−１，０００ボルトであって、好まし
くは約−７００ボルトである。

【００１７】 本発明の別の実施形態において、コロノードは、対応するコンデンサを介して
交流電力源に接続されている、コロナ発生ポイントを有する１つ以上のピンの列
と、このピンの列に隣接し直流バイアス電位に接続された導電性シールドからな
る。この構成によると、プレート電流対シールド電圧曲線が下向き凹状になり、
感光体電位が、単なる指数関数的増加の直線よりも大きな勾配を有する原点近く
の始まり部分と同様に、指数関数的以上に速く漸近線まで増加することが確実で
ある。

【００１８】 本発明のさらなる目的および利点は、添付の図面を参照して以下の説明を読む
と明らかである。 ・ 図１は、直径の小さなコロナ電線をコロノードとして用いる本発明の交流コ
ロナ帯電構成の一代表例を模式的に表す端面図である。 ・ 図２は、コンデンサを有するまたは有しない図１に示す型の交流帯電構成で
のプレート電流とシールド電圧の関係を表し、コロナ電線から隣接した被覆して
いないプレートへの電流がシールドに与えられる電圧に対してプロットされてい
るグラフである。 ・ 図３は、コロナ発生ピンを含むコロノードを用いた本発明のさらに別の実施
形態の一代表例を模式的に示す側面図である。

【００１９】

【発明を実施するための好適な形態】

図１に示す本発明の典型的な実施形態において、コロナ発生構成１０は、コン
デンサ１４を介して交流電圧源１６と接続された直径の小さいコロナ電線（coro
na wire）１２であるコロノードを含んでいる。導電性チャネルシールド１８が
、コロナ電線１２を三方で取り囲み、バイアス電位を提供するための直流電圧源
２０へと接続されている。コロナ電線１２は、約４０ミクロン〜７５ミクロンの
範囲内、好ましくは約５０ミクロンの直径を有している。コンデンサ１４は、交
流電圧源１６から供給される電圧に耐えるために十分に高い定格電圧を有し、そ
の定格電圧は、好ましくはピーク・ピーク値で約６，０００ボルト〜７，０００
ボルトの範囲であって、ピーク・ピーク値で約６，５００ボルトが望ましい。本
発明において、コンデンサ１４は、コロナ電線１２に供給される電流を、大きな
アーク発生を防ぐのに十分に低いが矢印２４の方向に１秒当たり約１０ｃｍの速
度で駆動される隣接した感光体２２の表面を帯電するのに十分高い、１ｃｍ当た
り約３マイクロアンペアに制限するのに十分低い容量を有している。好ましくは
、コンデンサ１４の容量は、コロノードの長さ１ｃｍ当たり約０．６ナノファラ
ッド〜７ナノファラッドの範囲内であり、約２ナノファラッドが好ましい。この
構成では、２ｋＨｚ交流電源１６からの最大電流は、１周期、１ｃｍ当たり３マ
イクロクーロンの約２０００分の１または１周期、１ｃｍ当たり約１．５ナノク
ーロンであり、これは、コロナ電線１２とシールド１８または感光体２２との間
のアーク発生を抑制するのに効果がある。さらに、たとえアーク発生が起こった
場合でも、コンデンサ１４による電流の制限は５０ミクロンのコロナ電線の破壊
を防ぐ。

【００２０】 電流計を介してアースに接続され、感光体２２に代わって用いられた被覆され
ていないプレートを有する図１に示す構成の典型的なプレート電流対シールド電
圧曲線２８を図２に示す。ベースプレート電流測定の意義は、１９９９年１０月
１８日に出願された米国特許出願第０９／４２０，３９５号に記載されており、
当該特許出願の開示を本明細書中で援用する。５．０ｋＶの交流電圧でのプレー
ト電流とシールド電圧の関係を表す曲線２８は、下向き凹状である。これは、コ
ンデンサを備えず、交流電圧源とコロナ電線とを直接接続した構成による上向き
凹状曲線３０と対照的である。曲線２８の下向き凹状湾曲の理由は、コロノード
が、負にバイアスされたシールドと負に帯電されている感光体との間の負の空間
電位で動作するからである。コロノードの周囲の負の空間電位は、負のコロナ放
出を抑制しながら正のコロナを明らかに増加させる。実際、感光体表面の電荷が
増加するにつれて（言い換えると、シールドの負の基準電位に向けての感光体表
面の電位が増加するにつれて）、コロノードの周囲の電位は累進的に更に負にな
る。

【００２１】 図１の構成の図２に示す下向き凹状曲線２８の利点は、図２のＩ対Ｖ曲線の勾
配がゼロ電流値で最大になるので、感光体帯電曲線（表面電位Ｖ_Ｓ対時間ｔ）の
漸近線がより明確に規定されることである。さらに、所与の初期電流では、プレ
ート電流は、帯電工程全体にわたってＩ対Ｖ曲線が直線となる場合よりも高く、
オゾンの発生を減少させるより高い帯電効率を提供する。より速い帯電率はまた
、要求される帯電時間内に達せられる感光体表面電位の均一性を確実により高く
する。典型的には、感光体の帯電は４次定数未満でその漸近線値の９８％に達す
る。これは、ゼロ電流値近くで勾配が低いため所与の交流コロノード電圧で漸近
線電圧に達するために感光体へのより長い帯電時間を必要とする、交流電力源１
６とコロナ電線１２との間にいかなるコンデンサも有しない装置の典型的なプレ
ート電流対シールド電圧曲線３０と対照的である。

【００２２】 さらに、図１に示す型の交流帯電構成を用いると、コロナ風は最少であり、そ
の結果、トナーダストおよび他の小さな浮遊粒子が電線１２とシールド１８の両
方を含む帯電ユニットに入り込んだり、不要な残滓が帯電ユニットの表面に堆積
するのを低減する。イオンを移動させる力が１周期（２ｋＨｚの交流周波数で４
，０００回／秒）につき２回極性反転させるので交流コロナのもとでコロナ風が
最少であるだけでなく、シールド表面に堆積し得るトナーおよび他の空中浮遊残
滓がほとんど悪影響を及ぼさない。

【００２３】 これは、所与の漸近線電位がシールド１８に与えられ、同等量の正イオンおよ
び負イオンが容量接続されたコロノード１２から発生している状態において、一
旦感光体がシールドの漸近線電位に達すると、シールド上のトナーまたはダスト
がいかなる実効電荷をも帯びる理由がないからである。最初、シールドと感光体
との間の直流電界は、負イオンを感光体へ、正イオンをシールドへ移動させる。
感光体がその漸近線値に達すると、シールドと感光体間の電界が崩壊し、感光体
あるいはシールド上の絶縁トナーまたはダストのそれ以上の帯電は起こらない。
反対に、直流コロナ帯電では、コロノード極性のイオンは、粉末被覆されたシー
ルドまたはスコロトロングリッドへ移動し、粉末の電位をコロノードの電位へと
実質的に上昇させる。結果として、スコロトロンのグリッドの実効電圧は、導電
グリッド自体に与えられる電圧をかなり上回る値まで上がる。

【００２４】 コロノード電線上に集積する同様の小さなトナー粒子または他の残滓について
は、高周波の交流電圧が電線に与えられると、コロナ閾値を上回る電界が、与え
られた交流周波数で交互に電子およびイオンのプラズマを生じさせる。負の周期
の間、プラズマ領域（電線表面から約８〜２０μｍまたはそれ以上）外のトナー
粒子は負電荷を帯び、電線から強く反発される。プラズマ領域内のいかなる粒子
も電線電位に対して逆に帯電される。交流電界が極性を反転するとすぐに（２ｋ
Ｈｚの交流で、４０００分の１秒後）、この帯電粒子は急激に移動し、コロノー
ドの表面から離れる。この突然の急激な粉末の「一吹き（“puff”）」は、交流
コロナ電圧が、トナーを用いて手動で被覆されたコロノードに与えられたときに
観測される。従って、交流電源に容量結合されたコロノードを用いた帯電は、従
来の帯電構成の帯電ユニットでトナーまたは空中浮遊残滓によって起こる問題を
著しく減少させる。

【００２５】 図３に示す本発明の別の実施形態において、コロナ発生構成３６は、帯電され
る感光体４２の表面の幅にわたって延びているアレーに配列されたコロナ発生ピ
ン４０を有するコロノード３８を含んでいる。示された実施形態において、ピン
４０の２つの列は、ピン４０の両方の列の上方に延びている上部の水平壁４８を
含むＴ字型シールド４６の垂直壁４４の両側に面している。好ましくは、ピン４
０の先端はシールドの垂直壁４４および水平壁４８からほぼ等しい間隔で配置さ
れ、感光体４２の表面からもほぼ同じ間隔を有している。ピン４０は、コンデン
サ５０を介して図１の電力源１６と同様の特性を有する交流電源５２に接続され
、シールド４６は直流バイアス電圧源５４に接続されている。本構成のコロナ発
生素子と電力源との間の容量接続５０は、図１の交流電力源１６とコロナ電線１
２との間の容量接続（コンデンサ）と同様の利点を提供する。

【００２６】 全てのピンに対して１つのコンデンサを設けても各ピンに別々のコンデンサを
設けても、本質的に同様の結果が得られることが判明している。コンデンサの主
な機能は、等しい正および負のコロナのイオン化を確実に行うことであり、低電
圧端において図２に示す電流対電圧曲線２８の平坦化を阻止し、イオン除去率が
イオン発生率に近づくように、イオンが同じ増加率で発生しない高電圧端におい
て電流−電圧曲線の平坦化をもたらすイオン化に有限に制限することである考え
られる。より小さなコンデンサが望ましい場合、１つのコンデンサをピンの各列
に設けてもよいし、または１つのコンデンサを１０または１５のピンごとに設け
てもよい。別々のコンデンサを各ピンに設ける必要はないが、そうすることで各
先端からの最大電流を制限するという利点が得られる。各ピンにコンデンサを設
けるために、１つのピンの列の各ピンのベースを、交流電力源に接続された導電
性ストリップを覆う非常に薄い絶縁接着層上に配置してもよい。

【００２７】 本発明は、特定の実施形態を参照して説明したが、当業者は多くの修正および
改変を容易に想起できるであろう。従って、このような修正および改変は全て本
発明の意図された範囲に包含されるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 直径の小さなコロナ電線をコロノードとして用いる本発明の交流コ
ロナ帯電構成の一代表例を模式的に表す端面図。

【図２】 コンデンサを有するまたは有しない図１に示す型の交流帯電構成の
プレート電流とシールド電圧の関係を表し、コロナ電線から隣接した被覆してい
ないプレートへの電流がシールドに与えられる電圧に対してプロットされている
グラフ。

【図３】 コロナ発生ピンを含むコロノードを用いた本発明のさらに別の実施
形態の一代表例を模式的に示す側面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ， ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ (72)発明者 フォーナリック，アンソニー，シー アメリカ合衆国、ニューヨーク14580、ウ ェブスター、1399シェリーゲルロード Ｆターム(参考） 2H200 FA07 FA18 FA19 HA12 HA28 HB03 HB06 HB26 HB46 HB48 LA40 NA02 NA03 NA08 NA09 NA25

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流コロナ帯電構成において、以下の構成を有するもの。
   ・ コロナ発生手段 ・ 交流電圧源 ・ 前記交流電圧源を前記コロナ発生手段に接続する容量手段 ・ 前記コロナ発生手段を部分的に取り囲む導電性シールド ・ 前記シールドに接続された直流バイアス電圧源
2. 【請求項２】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記コ
   ロナ発生手段が、コロナ電線を含むことを特徴とするもの。
3. 【請求項３】 請求項２に記載した交流帯電構成であって、前記コロナ電
   線が、約４０ミクロン〜７５ミクロンの範囲の直径を有することを特徴とするも
   の。
4. 【請求項４】 請求項３に記載した交流帯電構成であって、前記コロナ電
   線が約５０ミクロンの直径を有することを特徴とするもの。
5. 【請求項５】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記コ
   ロナ発生手段が帯電される表面と平行な方向に延び、容量手段が、前記延びてい
   る方向の前記コロナ発生手段の長さ１ｃｍ当たり約０．７ナノファラッド〜７ナ
   ノファラッドの容量を提供することを特徴とするもの。
6. 【請求項６】 請求項５に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記容
   量手段が１ｃｍ当たり約２ナノファラッドの容量を提供することを特徴とするも
   の。
7. 【請求項７】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記直
   流バイアス手段が、約−５００〜−１,０００ボルトの範囲の直流バイアス電圧
   を前記シールドに提供することを特徴とするもの。
8. 【請求項８】 請求項７に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記直
   流電圧源が約７５０ボルトの負の直流電圧を前記シールドに提供することを特徴
   とするもの。
9. 【請求項９】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記交
   流電圧源がピーク・ピーク値約４,０００〜７,０００ボルトの交流電圧を前記コ
   ロナ発生手段に供給することを特徴とするもの。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記コ
    ロナ発生手段と隣接した被覆されていないプレートとの間に生じる電流と前記シ
    ールドに与えられる電圧との関係が、下向き凹状曲線であることを特徴とするも
    の。
11. 【請求項１１】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記コ
    ロナ発生手段と隣接した被覆されていないプレートとの間に生じる電流と前記シ
    ールドに与えられる電圧との関係が、原点の近くを通過する曲線であることを特
    徴とするもの。
12. 【請求項１２】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記コ
    ロナ発生手段が複数のピンを含み、前記容量手段が、それぞれ少なくとも１つの
    前記ピンを前記交流電圧源に接続する複数のコンデンサを含むことを特徴とする
    もの。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記
    複数のコンデンサが、約１０〜１５のピンから成るピンの各グループに対して１
    つのコンデンサを含むことを特徴とするもの。
14. 【請求項１４】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記コ
    ロナ発生手段が複数のピンを含み、前記容量手段が、全ての前記ピンを前記交流
    電圧源に接続する１つのコンデンサを含むことを特徴とするもの。
15. 【請求項１５】 請求項１に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記導
    電性シールドがＴ字型導電部材を含み、前記コロナ発生手段が、前記Ｔ字型シー
    ルドの垂直部の両側に配置された２つの複数のピンを含むことを特徴とするもの
    。
16. 【請求項１６】 請求項１５に記載した交流コロナ帯電構成であって、前記
    ピンの先端が前記Ｔ字型シールドの前記垂直壁および水平壁からほぼ等しい間隔
    で配置されることを特徴とするもの。