JP2007033539A

JP2007033539A - 画像形成装置

Info

Publication number: JP2007033539A
Application number: JP2005212893A
Authority: JP
Inventors: Seishiro Nasu; 誠司郎那須
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】転写プロセスにおいて、転写ニップに突入する前に転写ローラ表面に誘起する電荷量を制御することで、転写ローラの誘電緩和時間に依存しない、安定した転写効率を実現する画像形成装置を提供する。
【解決手段】転写ローラに近接する電極を備え、転写ニップ領域に入る前にローラ表面に電荷を誘起する手段を与えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子写真方式の複写機、プリンタ等の画像形成装置に関係しており、特に転写ローラに電圧を印加し、転写材にトナーを転写する転写手法に関するものである。

複写機やプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置では、像担持体上のトナーを転写材に転写する事で画像を形成していることから、高精細な画像を得るために転写効率を上げることが設計指針の一つとして重視されている。また、より高速なプリンタの需要も高く、高精細性と高速性を両立する事がこれからの製品開発には非常に重要となっている。

転写効率を上げるためには、転写ニップ領域においてトナーが転写するのに必要な電界を精度良く与えなくてはならない。そのため、転写に必要な電界を正確に見積もった上で、像担持体と転写ローラ間の電位差、転写材の導電率及び比誘電率、トナーの電荷量などから換算した転写電圧を転写ローラに印加すればよい。これにより転写ニップ領域で必要な電界が形成され効率の良い転写が可能となる。

又、従来例としては、例えば特許文献１と特許文献２と特許文献３をあげることが出来る。
特開平6-138784号公報特開平7-20734号公報特開2000-122444号公報

しかしながら上記転写電圧を印加した場合であっても、プロセススピードが上昇するにつれ転写効率が低下すると言う不具合が見られた。特に、転写ローラの抵抗が高いほどその傾向は顕著であった。

本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、プロセススピードに依らず安定した転写効率を与えるものである。

上記目的を達成するために、
請求項１の発明は、表面にトナーを担持する像担持体と、電圧を印加する手段を備えた転写ローラと、前記像担持体と転写ローラの間を搬送される転写材と、転写ローラに電圧を印加することで像担持体上のトナーを転写材に静電転写する転写手段を有した画像形成装置において、該転写ローラに近接する電極を備えたことを特徴とする画像形成装置である。

請求項２の発明は、前記電極にトナーと同極性の電圧が印加されている事を特徴とする請求項１記載の画像形成装置である。

請求項３の発明は、前記電極が接地されていることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置である。

請求項４の発明は、前記電極において、電極の転写ローラ表面法線方向への投影像の幅D2が、電極と転写ローラとの距離D1、転写ローラ厚さＤ_roll及び比誘電率ε_roll、プロセススピードをν_psとした時、

を満たすことを特徴とする請求項１記載の画像形成装置である。

請求項５の発明は、前記電極において、請求項４に記載の電極投影像の転写ニップ側端部と転写ニップ開始点との距離D3が、電極と転写ローラとの距離D1、転写ローラ厚さＤ_roll、比誘電率をε_rollとした時、

請求項６の発明は、該転写ローラと任意距離の空隙を持って配置された前記電極において、電極及び転写ローラの印加電圧の差が、パッシェンの放電開始条件以下である事を特徴とする請求項１記載の画像形成装置である。

請求項７の発明は、前記電極において、電極端部の断面が、電極と転写ローラとの距離D1以上の半径を持つ円形状とすることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置である。

これらの作用として、電極とローラ間に発生する電界によってローラ表面に誘起される電荷量が多くなり、転写ニップ開始時から転写に必要な電界の形成を促すことができ、プロセススピードに依存しない安定した転写効率を与えることが出来るようになる。

転写ローラに近接する電極を配することで、プロセススピードに依らず安定した転写効率を与える事ができる。

以下より、本発明の実施の形態について、中間転写方式の一次転写プロセス部を例として図に基づき説明する。本発明は、安定した転写効率を与えるための画像形成装置である。

図１に、カラー画像形成装置の１ドラム中間転写方式の概略構成を示す。符号10は像担持体としての感光ドラムで、アルミシリンダ上に比誘電率3.0のOPCを厚さ30μm塗布し作製している。感光ドラムは帯電装置11で表面を均一に帯電された後、露光装置12によって画像情報に応じた静電潜像が形成される。本実施例では帯電装置11としてコロナ帯電器を用い、DCバイアスにACバイアスを重畳し、例えばDCバイアスとして-500V、ACバイアスとして1200Vppの正弦波を印加する。また、この像担持体10の周りには、イエロー、マゼンタ、シアン及びブラックの各色トナーに対応する現像器ユニット13が設けられている。現像器ユニット13は回転駆動され、像担持体10上に形成された各色の静電潜像に対応した各色トナーTを順次形成する。なお、本実施例でのトナーTはオイルを含有した縣濁重合法によって作製されたトナーであり、負極性に帯電するネガトナーである。

符号14は像担持体10に対向配置された転写材としての中間転写ベルト（以降、ITB）で、複数の張架部材103に張架支持されている。ITB14は、ポリカーボネート（PC）、ポリエチレンテレフタラート（PET）などの樹脂材料を基材とし、カーボンブラックを抵抗調整剤として分散させて作製される事が多い。本実施例では、ポリイミド樹脂を基材として、厚み100[μm]、導電率10^-8[S/m]、比誘電率5.0となるようにして作製している。

ITB14の像担持体10に対向する位置に一次転写ローラ15が設けられている。本実施例の一次転写ローラ15は、φ8mmのSUS芯金に厚さ4mmでウレタンを発泡塗布し、導電率10^-7[S/m]、比誘電率10.0となるようにして作製している。一次転写ローラの芯金にトナーTと逆極性の電圧、例えば+200V程度を印加することにより、感光ドラムからITBにトナーを転写する。符号16は本実施例における電極で接地することも可能であるが、本例では負電圧を印加するようにしている。

一次転写ローラ15によりITB14上に転写されたトナーTは、ITBの回転と共に二次転写ローラ18まで運ばれる。そして、転写材としての記録媒体17を二次転写ローラ18とITB14の間に担持して正の電圧、例えば+3500Vを印加することで、ITB14上のトナーTを記録媒体17に転写し、定着プロセス19終了後に機外へ搬送される。

一方、一次転写後に像担持体10上に残留したトナーは、感光体ドラムクリーニング装置101によって除去される。また、二次転写後にITB14上に残留したトナーは、ITBクリーニング装置102によって除去される。

次に、転写ニップ内においてローラ表面に誘起される電荷の時間変化とプロセススピードの関係について説明する。図２は、一次転写ニップ近傍の拡大図であり、符号21はCTL、22はITB、23は一次転写ローラである。また本実施例において、CTLとITBの最近接距離、及びITBと一次転写ローラとの最近接距離は1μmとしている。転写ローラ表面に誘起される電荷の大部分は、電位の差が極大となる転写ニップ領域20の突入時から誘起され始める。図４は、図２における領域20内をローラ表面法線方向の１次元等価回路に置き換えたものである。図４において、41はCTLのコンデンサ成分、42はCTLとITBの間にある空気層のコンデンサ成分である。43はITBのコンデンサ成分で、44はITBの抵抗成分である。45はITBと一次転写ローラの間にある空隙のコンデンサ成分である。46は一次転写ローラのコンデンサ成分、47は一次転写ローラの抵抗成分である。また48は転写ローラ芯金に印加される電圧源である。

図６は、図４の等価回路を基に、CTL上に潜像-500Vを考慮し、転写ローラの印加バイアス500Vとした時の転写ローラ表面に溜まる電荷密度量の時間変化を示したものである。図６から、電荷密度の増加は60msec.付近でほぼ収束していることから、時定数は約10msec.と分かる。一方、現在市販されている一般的な毎分30枚程度の印刷能力を持つプリンタのプロセススピードは約0.1m/sec.で、転写ニップ領域は約3mmで設計されている。このプリンタの図６で求めた時定数10msec.でのプロセス距離は1mmであることから、転写ニップ突入後1mmで転写に必要な充分な電荷が誘起されることがわかる。そのためプロセススピードが0.1m/sec.程度の機種であれば、転写ローラの誘電緩和時間の問題は生じていないと言える。しかしながらプロセススピードが上がってくると、転写ニップを通過する時間が転写ローラ表面に電荷が誘起される時間より短くなり、本実施例では0.3m/sec.以上であると転写ニップ内で電荷は完全に誘起され無いことが分かる。つまり、プロセススピードが上がるにつれ転写効率が低下する不具合は、転写ニップを誘電緩和時間より小さい時間で通過するため、転写に必要な電場が形成されなかったためと考えられる。これを解消するためには、転写ニップに突入する前に転写ローラ表面に転写に必要な電荷をあらかじめ誘起することで、転写ニップ領域で充分な電場をかける機能を付加すれば良い。

既知技術において、転写ニップ前に電荷誘起を促進する効果を２次作用として有する可能性がある技術例があった。特開平６−１３８７８４は、転写ローラに当接するクリーニングローラを配置し電圧を印加することで、転写ローラ上のトナーを除去すると言うものである。クリーニングローラから発生する電界は、転写ニップ部へも作用する事から、電荷誘起を促進する可能性がある。しかしながら転写ローラにクリーニングローラを当接した場合、クリーニングローラ方向への電界がニップ方向に比べて強いため、充分な電荷を誘起する事は困難である。さらに、該クリーニングローラはニップ下流域に設置されるため、特に転写ニップ開始部への作用は微弱である。特開平７−２０７３４は、ITB上流と下流に除電針を配置することでITB上の余分な電荷を除去し、トナー転写不具合を解消すると言うものである。除電針から発生する電界は、転写ニップ部へも作用する事から、電荷誘起を促進する可能性がある。しかしながら、転写ローラ近傍に除電針を配した場合、除電針への電界がニップ方向に比べて強いため、充分な電荷を誘起する事は困難である。特開２０００−１２２４４４は、ITB上流裏面に電極を配置し電圧を印加することで、ドラムとITB間の放電を抑制し転写不具合を防ぐと言うものである。電極から発生する電界は、転写ニップ部へも作用する事から、電荷誘起を促進する可能性がある。しかしながらITB上流裏面の電極は転写ニップ上流10mm程度に設置されるため、転写ニップ電界への影響が極めて微小であり、充分な電荷を誘起する事は困難である。

次に、本実施例における電極の効果について、プロセススピードが1m/sec.の機種の場合として説明する。図３は、本実施例における電極近傍の拡大図である。符号30は電極で、一次転写ローラの表面に沿った形状のものが後に説明するD1及びD2、D3を制御しやすい。31は一次転写ローラ、32はITBである。また、33は転写ローラに印加される電圧源、34は電極に印加される電圧源である。D1は電極と一次転写ローラとの距離であり、本実施例では1mmとする。D2は、電極30が一次転写ローラ31に電荷誘起を及ぼす範囲で、電極をローラ表面に写像した幅と等しい。D3は電極写像端から転写ニップまでの距離を示している。図５は、図３の領域303をローラ表面法線方向の１次元等価回路で表したものである。符号51は電極30と一次転写ローラ31間における空気層のコンデンサ成分である。52は一次転写ローラ31のコンデンサ成分、53は抵抗成分である。また、55は転写ローラに印加される電圧源、54は電極に印加される電圧源である。

図７は、図５の等価回路を基に、一次転写ローラの印加電圧を500V、電極の印加電圧を-1000Vとした時、転写ローラ表面に溜まる電荷密度量の時間変化を示している。図７から、電荷密度量は5msec.付近でほぼ収束しており、時定数は約2msec.と分かる。つまりプロセススピード1m/sec.の時、この時定数の間のプロセス距離は2mmと言うことになる。そのためD1を1mmとした場合、D2の距離は2mm以上が望ましく、充分に誘起するならば5mm以上が望ましいと考えられる。またD3に関しても同様に2mm以下が望ましいと言えるが、負極性トナーの存在などを考慮すると2mm以上でも良いと思われる。

ここまでの考察及び図５、図７から、D2の範囲を一般化したものを数３に示す。ここでは転写ローラの厚さをＤ_roll、比誘電率をε_roll、プロセススピードをν_psとしている。

同様に、ここまでの考察及び図５、図７から、D3の範囲を数４に示す。

一方、ここまでは電極に-1000Vの電圧を印加した場合を例として示した。数３及び数４を満足する範囲内で、より高い効果を求める場合には、次に説明する放電開始電圧を満足する範囲内で高電圧を印加すれば良い。

数５は、平行平板における平板間距離ｄ[m]と放電開始電圧Ｖ_pa[V]の関係を示したパッシェンの放電開始条件であり、図８にその関係を図示している。

数３及び図８によると、例えば平板間の距離が2mmの場合、電位差が7500V以上であれば放電が起きることを示している。よって、数３から電極に印加できる電圧Ｖ_poの範囲は、転写ローラの印加電圧をＶ_rollとして数６と表すことが出来る。

なお、今回の実施例に示したＶ_po=-1000Vは、充分にこの範囲に入っていることから妥当であることが分かる。

実施例１の数３で述べたパッシェンの放電開始条件は、一様な電界、いわゆる平等電界中で成り立つ法則であり、不平等な電界中では成り立たない事が多い。一方、実施例１における電極は矩形状のため不平等な電界が電極端部で発生し、パッシェンの法則を満たしていない可能性が高い。これを防止するためには、電極端部を平等電界と見なせる形状にすれば良い。数７は、２電極間における電界利用率ζを示している。ここでｄは２電極間の距離、Ｅ_maxは電極間における最大電界、Ｖは２電極間の電位差である。

電界利用率とは、場の平等電界の度合いを表す指数で、ζ=1.0の時に完全な平等電界を、値が大きくなるほど不平等電界になることを示している。

図９に本実施例における電極近傍の拡大図を示す。ここで、90は本実施例における電極で、電極端部の断面形状を半径D4の円としている。91は転写ローラ、92はITBを示している。また、D1は電極と転写ローラの距離、D2は電極端部を除いた電極の投影長、D3は電極投影端から転写ニップまでの距離を示している。図９を基に、放電発生点付近での電界計算を行うと、電極端の半径D4はD1の２倍以上であれば

となり平等電界と見なせ、さらに電極半径がD1以上であれば、ほぼ平等電界と見なして良いと分かる。これにより、本実施例における電極端部断面の半径は、D1以上であれば良く、より万全を期すにはD2とすれば良いと言える。なお本実施例では断面形状を円としているが、楕円形状のようなある程度低い電界利用率となる形状でも十分機能する事がわかる。

本実施例１及び実施例２では、中間転写方式１次転写プロセス部に限って説明を行った。しかしながら中間転写方式２次転写プロセス部やETB転写方式など、転写ローラを使う系に適用可能なことは明白である。なお、二次転写ローラは多様な転写媒体に対応するため、一般に導電性が一次転写ローラより低めであることから、より効果が高いものと考えられる。

１ドラム中間転写方式の概略構成を示した説明図である。一次転写プロセスにおける転写ニップ部の拡大図である。本実施例１における電極近傍の拡大図である。転写ニップ中における、一次転写ローラ芯金とドラム基板間の等価回路である。本実施例における一次転写ローラ芯金と電極間の等価回路である。図４の等価回路を基に有限要素解析を行った、一次転写ローラ表面に溜まる電荷密度の時間変化を示したものである。図５の等価回路を基に有限要素解析を行った、ローラ表面に溜まる電荷密度の時間変化を示したものである。放電開始電圧と平行平板ギャップとの関係を表した、パッシェン曲線である。本実施例２における電極近傍の拡大図である。

符号の説明

１０感光ドラム
１１帯電装置
１２露光装置
１３現像器ユニット
１４中間転写ベルト
１５一次転写ローラ
１６電極
１７記録媒体
１８二次転写ローラ
１９定着装置
１０１感光体クリーニング装置
１０２中間転写ベルトクリーニング装置
１０３張架ローラ
３０実施例１における電極
３１転写ローラ
３２中間転写ベルト
３３転写ローラの電圧源
３４実施例１における電極の電圧源
４１感光ドラムのコンデンサ成分
４２感光ドラムと中間転写ベルト間の空気層コンデンサ成分
４３中間転写ベルトのコンデンサ成分
４４中間転写ベルトの抵抗成分
４５中間転写ベルトと一次転写ローラ間の空気層コンデンサ成分
４６一次転写ローラのコンデンサ成分
４７一次転写ローラの抵抗成分
４８転写ローラ芯金のバイアス印加手段
５１電極と一次転写ローラ間の空気層コンデンサ成分
５２一次転写ローラのコンデンサ成分
５３一次転写ローラの抵抗成分
５４電極のバイアス印加手段
５５転写ローラ芯金のバイアス印加手段
９０本実施例２における電極
９１転写ローラ
９２中間転写ベルト

Claims

表面にトナーを担持する像担持体と、
電圧を印加する手段を備えた転写ローラと、
前記像担持体と転写ローラの間を搬送される転写材を有し、
転写ローラに電圧を印加することで像担持体上のトナーを転写材に静電転写する画像形成装置において、
該転写ローラに近接する電極を備えたことを特徴とする画像形成装置。
前記電極は、トナーと同極性の電圧を印加する事を特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
前記電極は、接地されることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
前記電極において、
電極の転写ローラ表面法線方向への投影像の幅D2が、電極と転写ローラとの距離D1、転写ローラ厚さＤ_roll及び比誘電率ε_roll、プロセススピードをν_psとした時、

を満たすことを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
前記電極において、
請求項４に記載の電極投影像の転写ニップ側端部と転写ニップ開始点との距離D3が、電極と転写ローラとの距離D1、転写ローラ厚さＤ_roll及び比誘電率ε_rollを、プロセススピードをν_psとした時、

を満たすことを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
該転写ローラと任意距離の空隙を持って配置された前記電極において、
電極及び転写ローラの印加電圧の差が、パッシェンの放電開始条件以下である事を特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
前記電極において、
電極端部の断面が、電極と転写ローラとの距離D1以上の半径を持つ円形状とすることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。