JP2007078987A - 画像形成装置、及び画像形成装置に着脱可能なプロセスカートリッジ - Google Patents

Abstract

【課題】 クリーニングブレードとの当接部における摺擦熱による感光ドラムの昇温を低減し、接触現像方式に用いられるトナーの熱劣化を抑制し、濃度ムラや、カブリ、スジといった不具合画像の早期発生を防止することにある。
【解決手段】 少なくとも、回転可能な像担持体と、前記像担持体と接触して前記像担持体に形成された静電潜像を現像する現像手段と、前記像担持体の周表面から現像剤を除去する弾性ブレードを有するクリーニング手段とを有する画像形成装置、及び画像形成装置に具備されるプロセスカートリッジにおいて、
前記像担持体の、外径Ｒ〔ｍｍ〕と回転時の周速度Ｖ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕との関係が、次式（１）を満たすとともに、前記弾性ブレードの少なくとも前記像担持体との当接部の摩擦係数が２．０以下であることを特徴とする。
Ｒ ／ Ｖ ≦ ０．２５ ‥‥（１）
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置、及び画像形成装置に着脱可能なプロセスカートリッジに関する。

近年、需要の多様化の中にあって、例えばオフィス等で使用されるプリンタにより出力される画像のカラー化に対する要望が増加している。そして、これに応えるべく例えば、列状に配置された複数のプロセスカートリッジを有する、いわゆるインライン型カラー画像形成装置等が採用されている。このインライン型カラー画像形成装置においては、転写ベルト周表面に転写材を静電吸着させ、各プロセスカートリッジに具備された像担持体に形成されたトナー像を直接転写材周表面に転写させている。一般的にこのようなインライン型カラー画像形成装置に装着されるプロセスカートリッジは、像担持体としての感光ドラム、帯電手段、現像手段、クリーニング手段等が一体的に構成されている（特許文献１参照）。

感光ドラムとしては、生産コストや化学的安定性等の観点から、有機感光ドラムが多く用いられている。

また帯電手段としては、構成が簡素であること、オゾン等の発生を抑制できること等の理由から、抵抗調製された弾性ローラを感光ドラム周表面に直接接触させることにより感光ドラム周表面を帯電させる、いわゆる接触帯電ローラ方式が広く知られている。

現像手段としては、その外周面にトナーを担持した現像ローラを、感光ドラム周表面に当接、回転させることにより現像工程を行なう、いわゆる接触現像方式が多く採用されている。そして用いられるトナーとしては、例えば懸濁重合法等により略球形に形成された、いわゆる非磁性１成分重合トナーが主流となりつつある。

更にクリーニング手段としては、生産コストや、塑性変形、耐摩耗性を含めたクリーニング性能等の観点から、いわゆるブレードクリーニング方式が広く知られている。そして、このブレードクリーニング方式は、ポリウレタン樹脂からなる弾性ブレードのエッジ部を感光ドラム周表面に当接させることにより感光ドラム周表面の残存トナーを除去する。
特開２００１−３１８５３９号公報（第１図）

さて最近の傾向として、装置本体の小型化、プリントスピードの高速化が求められており、カラー画像形成装置においても同じことが当てはまる。これらに応えるために、例えば感光ドラムの小径化、感光ドラム周速の高速化等が図られつつあるが、このような状況下にあって、以下のような問題点が浮き彫りになってきた。

即ち、転写工程後の感光ドラム周表面に残存するトナーを除去するために、クリーニングブレードが固定配設されているが、感光ドラムの回転に伴い、クリーニングブレードとの当接部における摺擦に起因した熱が生じる。これにより感光ドラムの温度が徐々に上昇していく。この昇温した状態の感光ドラムに現像ローラが当接すると、現像ローラ、及びこの外周面に担持されたトナーが直接的に熱を受けることとなる。そして、徐々に現像ローラの温度が上昇するとともに、現像部において現像に寄与しなかった熱を受けたトナーは、現像ローラの回転に伴いトナー収容部に回収され、この繰り返しにより、トナー収容部に収容されたトナーが徐々に高温状態に達する。

高温状態にさらされ続けたトナーは、いわゆる熱劣化してしまい、例えば出力画像上において、転写効率の悪化に起因する画像ムラや、カブリ、スジといった不具合が生じ易くなってしまう。

そしてこの現象は、上述したように感光ドラムの小径化、感光ドラム周速の高速化が図られた場合には、感光ドラムの温度上昇が早まり、トナーの熱劣化がより促進されることとなってしまう。

このクリーニングブレードとの当接部における摺擦熱による感光ドラムの昇温を抑制する手段は、例えば感光ドラムの最外層中にシリコーン樹脂微粒子やフッ素樹脂微粒子等の潤滑性物質を添加することにより感光ドラム周表面の滑り性を向上させる等がある。しかし、これらを添加すると感度特性が悪化し、画質低下を誘発する場合がある等の不具合が生じ、多量に添加することは実質的に不可能である。

以上を鑑み、本出願に係る発明の目的は、クリーニング性能を維持しつつも、このクリーニング手段による感光ドラムの昇温を低減し、トナーの熱劣化を抑制する。さらに、濃度ムラや、カブリ、スジといった不具合画像の早期発生を防止するとともに、画像形成装置本体の小型化、高速化を可能とすることにある。

上記目的を達成するために、本出願に係る第１の発明は、
少なくとも、回転可能な像担持体と、前記像担持体と接触して前記像担持体に形成された静電潜像を現像する現像手段と、前記像担持体の周表面から現像剤を除去する弾性ブレードを有するクリーニング手段とを有する画像形成装置において、
前記像担持体の、外径Ｒ〔ｍｍ〕と回転時の周速度Ｖ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕との関係が、次式（１）を満たすとともに、前記弾性ブレードと前記像担持体との当接部の摩擦係数が２．０以下であることを特徴とする。
Ｒ ／ Ｖ ≦ ０．２５ ‥‥（１）

以上説明したように、本出願に係る発明によれば、クリーニング手段による像担持体の昇温を低減する。そしてトナーの熱劣化を抑制し濃度ムラや、カブリ、スジといった不具合画像の早期発生を防止するとともに、画像形成装置本体の小型化、高速化が可能となる。

以下に、本発明に係る実施例を示すが、まず図１に、本発明に係る接触現像手段、及びブレードクリーニング手段を具備した画像形成装置の概略構成図を示す。

画像形成装置本体１は、その下部には転写材Ｐを収納する用紙カセット２、上部には印刷された用紙を積載する排紙トレー部３、プロセスカートリッジ６の着脱口を兼ねる開閉可能なドア４を有する。このドア４には、転写ベルトユニット５が搭載されている。そして、この転写ベルトユニット５は、上方に配設された駆動ローラ５ａと、駆動ローラ５ａの下方に配設されたテンションローラ５ｂとに懸架された、回転移動可能な紙搬送ベルトとしての転写ベルト５ｃから成る。更には、転写ベルト５ｃの側面に列状に配置されたプロセスカートリッジ６に具備された像担持体としての感光ドラム８とで転写部位７を形成するバックアップローラ５ｄをも具備する。転写ベルト５ｃの回転方向は、転写部位７において、下方から上方に向かう方向（矢印Ａ）である。

個々のプロセスカートリッジ６は、その開口部６ａに感光ドラム８が、更にその周囲には帯電手段９、接触現像手段１０、クリーニング手段１１が配設されている。

感光ドラム８は、アルミニウム等の基体の周囲に有機感光層が形成され、転写部位７において、下方から上方に向かう方向（矢印Ｂ）の方向に、所定のプロセススピードで回転駆動される。

帯電手段９は、ＳＵＳ等の芯金の周囲に、抵抗を調整された弾性層が形成されたいわゆる帯電ローラであって、所定の押圧力をもって感光ドラム８周表面に当接、従動回転される。さらに、高圧電源（不図示）から供給された電圧により、感光ドラム８周表面を所定の電位に帯電させる。

なお本実施例においては、上記の如き接触帯電ローラを用いたが、これに限定されるものではなく、いわゆるコロナ帯電手段等を用いることも可能である。

接触現像手段１０は、例えば懸濁重合法により略球形に形成された、非磁性１成分トナーを収容するトナー収容部１０ａ、ＳＵＳ等の芯金の周囲に、抵抗を調整された弾性層が形成される。そして、所定の押圧力をもって感光ドラム８周表面に当接、矢印Ｃの方向に駆動回転される現像ローラ１０ｂ、この現像ローラ１０ｂに当接し、現像ローラ１０ｂ周表面にトナーを供給する。そのために、ＳＵＳ等の芯金の周囲に弾性層が形成されたトナー供給ローラ１０ｃ、現像ローラ１０ｂ周表面のトナー層厚を規制するための、金属薄板等から成るトナー規制ブレード１０ｄとを有する。また、現像ローラ１０ｂ、トナー供給ローラ１０ｃ、トナー規制ブレード１０ｄには、不図示の高圧電源から電圧が供給され、感光ドラム８周表面に形成された静電潜像をトナーにより顕像化する。

クリーニング手段１１は、ポリウレタン樹脂等の弾性ブレード１１ａを有し、この先端部を感光ドラム８周表面に当接させることにより、転写部位７における転写工程後に感光ドラム８周表面に残存するトナーを除去する。

このような構成から成るプロセスカートリッジ６が転写ベルト５ｃの側面に４個、列状に装着され、各々、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのいずれかの有色トナーが内包されている。

次に画像形成工程を説明すると、画像形成装置がパーソナルコンピュータ等のホスト機器（不図示）からの印刷指令を受信する。すると、各プロセスカートリッジ６の回転駆動する感光ドラム８周表面が帯電ローラ９により帯電された後、露光手段１２により画像情報に応じたレーザー照射が行なわれる。そして、感光ドラム８周表面に静電潜像が形成される。次いで、現像ローラ１０ｂによりこの静電潜像がトナーにより顕像化される。それとともに、所定のタイミングをもって用紙カセット２から給紙手段１３により給紙される。その後、転写ベルト５ｃ周表面に静電吸着せしめられた転写材Ｐが最下方に位置する第１のプロセスカートリッジの転写部位７を通過する。この際、感光ドラム８周表面のトナー像が転写材Ｐ周表面に転写される。その後、この転写材Ｐが、第２のプロセスカートリッジ以降の転写部位７を通過し、その都度感光ドラム８周表面のトナー像が転写材Ｐ周表面に転写される。そして、転写材Ｐが、第４のプロセスカートリッジの転写部位を通過した時点で、転写材Ｐ周表面にフルカラー画像が形成される。次いでこの未定着画像は、定着手段１４へと搬送され、永久画像として定着された後、排紙トレー部３へと排出される。そして、転写工程後に感光ドラム８周表面に残存するトナーは、クリーニング手段１１により除去される。

ここで、図２を参照しつつ、本発明に係るクリーニング手段について詳述する。

まず本発明に係るクリーニング手段は、支持部材としての板金１１ｂの先端部に、ポリウレタン樹脂からなる弾性ブレード１１ａを一体的に有するクリーニングブレードである。そして、この弾性ブレード１１ａの先端部を感光ドラム１周表面に対して、いわゆるカウンタ方向で所定の押圧力をもって当接させることにより、転写工程後の残留トナーを感光ドラム１周表面から除去する。略球形形状を有する重合トナーを感光ドラム周表面から除去するために、押圧力としては４９．０〔Ｎ／ｍ〕以上、好ましくは６８．６〔Ｎ／ｍ〕以上であることが望ましい。

更にこの弾性部材１１ａは、感光ドラムとの当接部との周表面に、硬化層１１ｃが設けられている。この硬化層１１ｃは、活性水素化合物を含浸させることなく、少なくともイソシアネート化合物を所定時間含浸させた後、イソシアネート化合物とポリウレタン樹脂とを反応させることにより形成される。このような構成のクリーニングブレードの成形方法例を以下に述べる。

まず、硬化層形成前のクリーニングブレードの成形方法としては、以下の方法がある。
（１）高分子ポリオール、ポリイソシアネート、架橋剤、触媒等を一度に混合し、これを金型、または遠心成形円筒金型に注入して成形するワンショット法
（２）高分子ポリオールとポリイソシアネートとを予備反応させてプレポリマーとし、その後、架橋剤、触媒等を混合し、これを金型、または遠心成形円筒金型に注入して成形するプレポリマー法
（３）ポリイソシアネートに高分子ポリオールを反応させたセミプレポリマーと、架橋剤に高分子ポリオールを添加した硬化剤を反応させ、これを金型、または遠心成形円筒金型に注入して成形するセミワンショット法
このように成形された硬化層形成前のクリーニングブレードの硬度は、６２〔°〕以上、８５〔°〕以下（ＩＲＨＤ）であることが好ましい。これにより、回転する感光ドラムに対する良好な密着性、追従性が確保できるとともに、感光ドラム周表面を損傷させることをも防止できる。

次に、硬化層の形成方法の一例としては、まず、上記クリーニングブレードの感光ドラムとの当接部のみが露出するように、クリーニングブレード周表面にマスク部材を配置する。その後、このマスク部材が配置されていない部分のみに、活性水素化合物を含浸させることなく、イソシアネート化合物を所定時間、例えば１０〔分〕以上、８０〔分〕以下にわたり含浸させる。この時の液状イソシアネート化合物は、３０〔℃〕以上、９０〔℃〕以下に調温されることが好ましい。その後、クリーニングブレード周表面に残留するイソシアネート化合物を拭き取る。そして、５０〔℃〕以上、１４０〔℃〕以下の条件下にて１０〔分〕以上、８０〔分〕以下にわたり、含浸させたイソシアネート化合物とポリウレタン樹脂との反応を進行させる方法が挙げられる。

硬化層の厚さとしては、０．１２〔ｍｍ〕以上、１．２〔ｍｍ〕以下が好ましい。厚さが薄い場合には硬度が低く、摩擦係数が大きいままとなってしまい。また、厚い場合には硬度が高く、回転する感光ドラムに対する良好な密着性、追従性が確保できず、感光ドラム周表面を損傷させる場合もある。よって、硬化層の硬度としては、７５〔°〕以上、１００〔°〕以下（ＩＲＨＤ）であることが好ましい。

更に、硬化層が形成される領域は、感光ドラムとの当接部とその近傍のみ、つまりクリーニングブレード先端部のごく限られた範囲であることが好ましい。広範囲にわたり形成された場合には、クリーニングブレード全体の剛性が高くなり、回転する感光ドラムに対する良好な密着性、追従性が確保できず、良好なクリーニング性能を得られなくなってしまう。

ここで、このように形成された硬化層を有するクリーニングブレードを用いての、本発明者らが行なったトナーの熱劣化に関する実験結果を示す。

まず、本実験に使用した感光ドラムについて説明する。

感光ドラムは、３種類作製した。すなわち、肉厚が同一で外径が異なるアルミニウム製の基体シリンダに対し、基体シリンダの構造的欠陥の被覆等を目的とした導電層、導電層からのフリーキャリアの注入を抑制するための中間層、電荷発生層、電荷輸送層を順次積層した。そして、その最終外径を（１）４５〔ｍｍ〕、（２）３０〔ｍｍ〕、（３）２５〔ｍｍ〕とした。なお、各層の厚さは３種類の感光ドラムとも同じとした。最外層に位置する電荷輸送層は、主に電荷輸送材料とバインダー樹脂とを溶剤中に溶解させた塗料を塗布、乾燥させることにより形成される。しかし、本感光ドラムについては、電荷輸送材料として主にトリアリールアミン系化合物を、バインダー樹脂として主にポリアリレート樹脂を用いた。

次に、本実験に使用したトナーについて説明する。

トナーは、懸濁重合法により製造された、粒径が略５〜７〔μｍ〕の実質的球形であり、その中心部にエステル系ワックスを内包している。そして、その周囲にスチレン−ブチルアクリレートからなる樹脂層、更にその周囲にスチレン−ポリエステルからなる表層を設けた構成からなる非磁性１成分トナーである。画像解析装置で測定した形状係数ＳＦ１の値は１００〜１６０、形状係数ＳＦ２の値は１００〜１４０である。本発明に用いられる形状係数を示すＳＦ１、ＳＦ２とは、ＦＥ−ＳＥＭ（日立製作所製）を用い倍率５００倍に拡大したトナー像を１００個無作為にサンプリングし、その画像情報を画像解析装置（ニコレ社製）にて解析を行い、下式より算出し得られた値である。
ＳＦ１＝｛（ＭＸＬＮＧ）^２／ＡＲＥＡ｝×（π／４）×１００
ＳＦ２＝｛（ＰＥＲＩ）^２／ＡＲＥＡ｝×（１／４π）×１００
ＡＲＥＡ：トナー投影面積、ＭＸＬＮＧ：絶対最大長、ＰＥＲＩ：周長
また外添剤として、負極性外添剤としてシリカを１重量部、正極性外添剤として酸化チタン０．１〔重量部〕を加えた。

次に、本実験に使用した現像ローラについて説明する。

本現像ローラは、ＳＵＳ製の棒状基体の外周面に、感光ドラム周表面に対し、適切なニップ幅、当接圧をもって接触させるための導電性弾性層、感光ドラム周表面の損傷を防止する。それとともに、トナーへの電荷付与、トナーの良好な搬送等を目的とした表層を順次積層し、その最終外径は略１６〔ｍｍ〕とした。導電性弾性層は、導電剤としてのカーボンブラックを添加した、厚さ略４〔ｍｍ〕のシリコーンゴムからなる。また表層は、導電剤としてのカーボンブラックと、平均粒径１０〔μｍ〕のウレタン粒子を添加した、厚さが３０〔μｍ〕、周表面粗度Ｒａが０．６〜０．９〔μｍ〕のウレタン樹脂からなる。

次に、本実験に使用したクリーニングブレードについて説明する。

クリーニングブレードは、４種類作製した。いずれもポリウレタン樹脂からなる弾性ブレードであり、（１）その先端部に硬化層を有さない従来のクリーニングブレード、その先端部に硬化層を設けることにより、その摩擦係数を（２）２．３、（３）１．８、（４）０．７としたクリーニングブレードである。この摩擦係数の差異は、前述した製造方法において、含浸時間等の製造条件を変えることにより施した。また、摩擦係数の測定は、クリーニングブレードをその長手方向５０〔ｍｍ〕幅に切断した。そして、この先端部をポリエチレンテレフタレート製フィルムシートに対し、いわゆるカウンタ方向にて当接させ、加重３０〔Ｎ／ｍ〕、移動速度１００〔ｍｍ／分〕の条件下で周表面性試験機（ヘイドン社製）を用いて行なった。なお、その先端部に硬化層を有さない従来のクリーニングブレードの摩擦係数測定に際しては、当接部がめくれ気味となり、摩擦係数は測定不能であった。

さて、このような感光ドラム、トナー、現像ローラ、クリーニングブレードを組み込んだプロセスカートリッジを３０〔℃〕の環境下に設置された、感光ドラムの周速設定可変な画像形成装置に装着した。そして、レーザ露光を行なわない、いわゆるベタ白画像を連続出力させる、苛酷促進試験を実施した。そして、４時間経過後に感光ドラムの周表面温度を非接触型温度測定器により測定するとともに、転写効率の測定、現像ローラ周表面にコートされたトナーの状態観察を行なった。なお本実験においては、本来の画像形成工程では施されるべき定着手段への熱の供給は行なわなかったとともに、排気ファンの如き装置冷却手段をも作動させなかった。これにより、感光ドラムが回転することによりクリーニングブレードとの当接部において発生する摺擦熱による感光ドラムの昇温自体を観測することが可能となる。

なお、感光ドラムに対する現像ローラの当接条件としては、図３に示すように侵入量ｔを４０〔μｍ〕とし、感光ドラムに対する回転条件としては、感光ドラムの回転方向とは逆方向で、当接位置において同方向、かつ感光ドラムの周速の１．５倍の周速度とした。また、感光ドラムに対するクリーニングブレードの当接条件としては、図４に示すように設定角θを３０〔°〕、侵入量δを１．２〔ｍｍ〕とした。更に、その先端部に硬化層を有さない従来のクリーニングブレードを組み込んでの実験に関しては、感光ドラムの回転始動時のトルク低減のため、予めクリーニングブレードの当接部に潤滑剤として微量のトナーを付着させた。

下表に、本実験の結果一覧を示す。

これによれば、感光ドラムの外径Ｒ〔ｍｍ〕を回転時の周速度Ｖ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕で除した値Ｒ／Ｖが０．２５以下である場合、摩擦係数が２．０以下であるクリーニングブレードを用いる。それによって、転写効率は９０〔％〕以上を維持でき、かつ現像ローラ上のトナーコート状態も、スジが発生することもなく、良好な結果が得られた。

本発明に係る、画像形成装置の概略構成図である。 本発明に係る、クリーニング手段を示す図である。 感光ドラムに対する現像ローラの当接条件を示す図である。 感光ドラムに対するクリーニングブレードの当接条件を示す図である。

符号の説明

１ 感光ドラム
２ 現像ローラ
１１ クリーニングブレード

Claims (6)

1. 少なくとも、回転可能な像担持体と、前記像担持体と接触して前記像担持体に形成された静電潜像を現像する現像手段と、前記像担持体の周表面から現像剤を除去する弾性ブレードを有するクリーニング手段とを有する画像形成装置において、
   前記像担持体の、外径Ｒ〔ｍｍ〕と回転時の周速度Ｖ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕との関係が、次式（１）を満たすとともに、前記弾性ブレードと前記像担持体との摩擦係数が２．０以下であることを特徴とする画像形成装置。
   Ｒ ／ Ｖ ≦ ０．２５ ‥‥（１）
2. 前記弾性ブレードは、主にポリウレタン樹脂からなり、前記弾性ブレードの前記像担持体との当接部周表面に、イソシアネート化合物及び前記ポリウレタン樹脂とが反応してなる硬化層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記弾性ブレードは、主にポリウレタン樹脂からなり、前記弾性ブレードの前記像担持体との当接部周表面に、活性水素化合物を含浸させることなく、少なくともイソシアネート化合物を所定時間含浸させた後、該イソシアネート化合物と前記ポリウレタン樹脂とを反応させて形成される硬化層を有することを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
4. 少なくとも、回転可能な像担持体と、前記像担持体と接触して前記像担持体に形成された静電潜像を現像する現像手段と、前記像担持体の周表面から現像剤を除去する弾性ブレードを有するクリーニング手段とを有する、画像形成装置に着脱可能なプロセスカートリッジにおいて、
   前記像担持体の、外径Ｒ〔ｍｍ〕と回転時の周速度Ｖ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕との関係が、次式（１）を満たすとともに、前記弾性ブレードと前記像担持体との摩擦係数が２．０以下であることを特徴とするプロセスカートリッジ。
   Ｒ ／ Ｖ ≦ ０．２５ ‥‥（１）
5. 前記弾性ブレードは、主にポリウレタン樹脂からなり、前記弾性ブレードの前記像担持体との当接部周表面に、イソシアネート化合物及び前記ポリウレタン樹脂とが反応してなる硬化層が形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のプロセスカートリッジ。
6. 前記弾性ブレードは、主にポリウレタン樹脂からなり、前記弾性ブレードの前記像担持体との当接部周表面に、活性水素化合物を含浸させることなく、少なくともイソシアネート化合物を所定時間含浸させた後、該イソシアネート化合物と前記ポリウレタン樹脂とを反応させて形成される硬化層を有することを特徴とする、請求項４に記載のプロセスカートリッジ。
   

Images