JP2007114605A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】帯電ロールの表面に異物が堆積するのを防止し、長期にわたり安定した帯電均一性を得る。
【解決手段】感光体ドラム１２の下方部に帯電ロール１４が接触しており、感光体ドラム１２の回転により帯電ロール１４が従動回転する。帯電ロール１４の下方部にロール状のスポンジ部材１００が接触しており、帯電ロール１４の回転によりスポンジ部材１００が従動回転する。スポンジ部材１００は、ポリウレタン系発泡体からなるスポンジ層１００Ｂを備えており、帯電ロール１４へ押圧されている。帯電ロール１４の帯電層１４Ｂは、表層材料にフッ素変性アクリレートポリマーを含有しており、帯電ロール１４の表面微小硬度が０．３５以上に設定されている。これにより、スポンジ部材１００によって帯電ロール１４の表面が微小に削り取られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子写真方式を採用した複写機やプリンタ等の画像形成装置に関し、特に、回転駆動される像担持体に接触して回転しつつ、像担持体の表面を帯電させる接触帯電方式の帯電ロールと、この帯電ロールのクリーニング部材とを有する画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真方式を採用した複写機やプリンタ等の画像形成装置の帯電装置として、スコロトロン帯電器のようなコロナ放電現象を利用したものが多用されてきたが、コロナ放電現象を利用した帯電装置の場合には、人体や地球環境に悪影響のあるオゾンや窒素酸化物の発生が問題となっている。これに対して、導電性の帯電ロールを像担持体に直接接触させて像担持体の帯電を行う接触帯電方式はオゾンや窒素酸化物の発生が大幅に少なく、電源効率も良いことから、最近では主流となっている。

このような接触帯電方式の帯電装置では、帯電ロールが像担持体に常時接触しているため、帯電ロール表面に異物の付着による汚れが発生しやすいという問題がある。画像形成動作を繰り返し行う像担持体の表面は、転写工程の下流側において、転写後の残留トナー等の異物除去を行うクリーニング工程を経た後、帯電工程のエリアへと進入してくるが、クリーニング工程を経てもトナーの一部やトナーの外添剤など、トナーよりも微小な粒子がクリーニングされずに像担持体上に残留し、帯電ロールの表面へと付着してしまう。帯電ロールの表面に付着した異物は、帯電ロールの表面抵抗値にムラを生じさせ、異常放電や不安定な放電となり帯電均一性を悪化させてしまう。

このような問題を改善させるための技術として、帯電ロールの表面に板状のブラシやスポンジを当接させ、帯電ロールの表面汚れを掻き落とすようなクリーニング方式が提案されている。また、ロール状のクリーニング部材を帯電ロールの表面に当接させるクリーニング方式も提案されている（例えば、特許文献１参照)。しかし、このようなクリーニング方式は、帯電ロールと当接するクリーニング部材の表面に異物が徐々に堆積していき、目詰まりによってクリーニング性能が低下してしまうという欠点がある。

一方、帯電ロールに堆積した異物を除去するために、ポリエステルやスチレン系の研磨材料を用いた研磨ロールを帯電ロールに当接させ、帯電ロール表面を研磨する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照)。また、研磨紙を帯電ロールに当接させ、研磨紙の硬度をトナーおよび帯電ロールの硬度より大きくすることにより、帯電ロール表面を研磨する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照)。
特開平８−６２９４８号公報 特開平７−１９１５２５号公報 特開平７−１２８９５８号公報

しかし、特許文献２、３に記載の構成では、帯電ロール表面が削れ過ぎてしまうと共に、偏磨耗により軸方向のムラが発生しやすいという欠点があり、長期的に使用することはできない。また、研磨による帯電ロール表面の粗さが制御しにくいため、帯電均一性に劣り、カラー画像を形成する高画質の画像形成装置には適用できないという問題がある。さらに根本的な問題点として、研磨部材に目詰まりが早期に発生してしまうため、従来の磨耗させない方法に比べて維持性が著しく劣るという大きな問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、帯電ロールの表面に異物が堆積することを防止し、長期にわたって安定した帯電均一性が得られる画像形成装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明に係る画像形成装置は、接触帯電により被帯電体を帯電させる帯電ロールと、前記帯電ロールの表面に接触するように支持され、前記帯電ロールと従動回転するロール状スポンジ部材と、を有し、前記ロール状スポンジ部材と前記帯電ロールは、前記ロール状スポンジ部材の接触により前記帯電ロール表面を削り取る物理的特性を有していることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、帯電ロールの表面にロール状スポンジ部材が接触しており、帯電ロールの回転によりロール状スポンジ部材が従動回転する。ロール状スポンジ部材と帯電ロールは、物理的特性を適切に設定することにより、ロール状スポンジ部材と接触して帯電ロール表面が削り取られる構成となっている。すなわち、研磨性の高いクリーニング部材を用いずに、低硬度なロール状スポンジ部材を帯電ロールに接触させてニップ部を形成することにより、長期にわたって安定的に帯電ロールの表面が研磨される。このため、帯電ロールの表面に異物が堆積することが抑制され、長期にわたって均一な帯電が行われる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像形成装置において、前記物理的特性は、前記帯電ロールの表面微小硬度を０．３５以上、２０．０以下に設定し、前記ロール状スポンジ部材のセル数を４０〜８０(個/２５ｍｍ)に設定することを特徴としている。

ここで、表面微小硬度とは、表層数μｍの硬度を測定するもので、帯電ロールの表層材料を変えることにより、影響を受ける物性値である。

請求項２に記載の発明によれば、帯電ロールの表面微小硬度を上記範囲に設定し、ロール状スポンジ部材のセル数を上記範囲に設定することにより、ロール状スポンジ部材の接触によって帯電ロール表面を安定して削り取ることが可能となる。その際、微小に削れた帯電ロール表面が、帯電ロール表面に付着したトナーや外添剤と共にロール状スポンジ部材のセル中に入り込み、凝集してある大きさに固められる。このため、目詰まりすることなく安定したクリーニング性が維持される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置において、前記物理的特性は、前記帯電ロールの表面の弾性率を８ＭＰａ以上、４５００ＭＰａ以下に設定することを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、帯電ロールの表面材料の弾性率を上記範囲に設定することにより、ロール状スポンジ部材と帯電ロールのニップ形状が安定化し、帯電ロール表面を安定して削り取ることが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記物理的特性は、前記帯電ロールへの喰込量を前記ロール状スポンジ部材の厚さの１０％〜６０％の範囲に設定することを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、ロール状スポンジ部材の帯電ロールへの喰込量を上記範囲に設定することにより、ロール状スポンジ部材を帯電ロールに押圧したときに、長期にわたって安定したニップ形状が維持される。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記物理的特性は、前記ロール状スポンジ部材をウレタン系の樹脂又はゴム材料の発泡体で形成したことを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、ウレタン系の樹脂又はゴム材料の発泡体で形成したロール状スポンジ部材を帯電ロールに接触させることにより、長期にわたり安定したニップ形状に維持される。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記物理的特性は、前記帯電ロールの表層材料にフッ素変性アクリレートポリマーを含有させることを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、帯電ロールの表層材料にフッ素変性アクリレートポリマーを含有させることにより、帯電ロール表面に異物が付着しにくく、クリーニング性が良好となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記ロール状スポンジ部材の他に、前記帯電ロールに当接される研磨部材を併設していることを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、ロール状スポンジ部材の他に研磨部材を併設することで、帯電ロールの表面を更に安定して削り取ることが可能となる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記ロール状スポンジ部材の中に、トナーに外添される外添剤からなる研磨粒子を含むことを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、ロール状スポンジ部材の中に外添剤からなる研磨粒子を含ませることで、帯電ロールの表面を長期にわたり安定して削り取ることが可能となる。

請求項９に記載の発明のように、請求項８に記載の研磨粒子としては、ＳｅＯ_２が好ましい。

本発明によれば、ロール状スポンジ部材によって帯電ロールの表面が研磨されるので、帯電ロールの表面に異物が堆積することを防止でき、長期にわたって安定した帯電均一性を実現することができる。

以下、本発明の画像形成装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１には、第１実施形態に係る４サイクル方式のフルカラーの画像形成装置１０が示されている。この画像形成装置１０の内部には、中央よりもやや右上部に、感光体ドラム１２が回転可能に配設されている。この感光体ドラム１２としては、例えば、表面にＯＰＣ等よりなる感光体層が被覆された直径が約４７ｍｍの導電性円筒体からなるものが用いられ、図示しないモータにより、矢印方向に沿って約１５０ｍｍ／ｓｅｃのプロセススピードで回転駆動される。

感光体ドラム１２の表面は、感光体ドラム１２の略真下に配置された帯電ロール１４によって所定の電位に帯電された後、帯電ロール１４の下方に配置された露光装置１６によって、レーザービームＬＢによる画像露光が施され、画像情報に応じた静電潜像が形成される。

この感光体ドラム１２上に形成された静電潜像は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の各色の現像器１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋが周方向に沿って配置された回転式現像器１８によって現像され、所定の色のトナー像となる。

このとき、感光体ドラム１２の表面には、形成する画像の色に応じて、帯電・露光・現像の各工程が、所定回数だけ繰り返される。現像工程では回転式現像器１８が回転し、対応する色の現像器１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋが、感光体ドラム１２と対向する現像位置に移動する。

例えば、フルカラーの画像を形成する場合、感光体ドラム１２の表面には、帯電・露光・現像の各工程が、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の各色に対応して４回繰り返され、感光体ドラム１２の表面には、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の各色に対応したトナー像が順次形成される。トナー像が形成されるにあたって、感光体ドラム１２が回転する回数は、画像のサイズに応じて異なるが、例えば、Ａ４サイズであれば、感光体ドラム１２が３回転することによって、１つの画像が形成される。つまり、感光体ドラム１２の表面には、感光体ドラム１２が３回転するごとに、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の各色に対応したトナー像が形成される。

感光体ドラム１２上に順次形成されるイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の各色のトナー像は、感光体ドラム１２の外周に中間転写ベルト２０が巻き付けられた一次転写位置において、中間転写ベルト２０上に互いに重ね合わせた状態で一次転写ロール２２によって転写される。

この中間転写ベルト２０上に多重に転写されたイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）のトナー像は、所定のタイミングで給紙される記録用紙２４上に、二次転写ロール２６によって一括して転写される。

一方、記録用紙２４は、画像形成装置１０の下部に配置された給紙カセット２８から、ピックアップロール３０によって送り出されるとともに、フィードロール３２及びリタードロール３４によって１枚ずつ捌かれた状態で給紙され、レジストロール３６によって中間転写ベルト２０上に転写されたトナー像と同期した状態で、中間転写ベルト２０の二次転写位置へと搬送される。

中間転写ベルト２０は、感光体ドラム１２における回動方向の上流側にて中間転写ベルト２０のラップ位置を特定するラップインロール３８と、感光体ドラム１２上に形成されたトナー像を中間転写ベルト２０上に転写する一次転写ロール２２と、ラップ位置の下流側にて中間転写ベルト２０のラップ位置を特定するラップアウトロール４０と、二次転写ロール２６に中間転写ベルト２０を介して当接するバックアップロール４２と、中間転写ベルト２０のクリーニング装置４４に対向する第１のクリーニングバックアップロール４６と、第２のクリーニングバックアップロール４８と、によって所定の張力で張架されており、所定のプロセススピード（約１５０ｍｍ／ｓｅｃ）で循環移動するように、例えば、感光体ドラム１２の回転に伴って従動される。

ここで、中間転写ベルト２０は、画像形成装置１０の小型化を図るため、中間転写ベルト２０が張架される断面形状が、偏平な細長い略台形状となるように構成されている。

中間転写ベルト２０は、感光体ドラム１２と、帯電ロール１４と、中間転写ベルト２０と、中間転写ベルト２０を張架する複数のロール２２、３８、４０、４２、４６、４８と、中間転写ベルト２０用のクリーニング装置４４と、後述する感光体ドラム１２用のクリーニング装置７８と、で一体的に像形成ユニット５２を構成している。このため、画像形成装置１０の上部カバー５４を開き、像形成ユニット５２の上部に設けられた把手（図示省略）を手で持ち上げることにより、像形成ユニット５２全体を画像形成装置１０から取り外し可能となっている。

一方、中間転写ベルト２０のクリーニング装置４４は、第１のクリーニングバックアップロール４６によって張架された中間転写ベルト２０の表面に当接するように配置されたスクレーパ５８と、第２のクリーニングバックアップロール４８によって張架された中間転写ベルト２０の表面に圧接するように配置されたクリーニングブラシ６０とを備え、これらのスクレーパ５８やクリーニングブラシ６０によって除去された残留トナーや紙粉などは、クリーニング装置４４の内部に回収されるようになっている。

なお、クリーニング装置４４は、揺動軸６２を中心にして、図中反時計周り方向に揺動可能に配置されており、最終色のトナー像の二次転写が終了するまでは、中間転写ベルト２０の表面から離間した位置に退避するとともに、最終色のトナー像の二次転写が終了すると、中間転写ベルト２０の表面に当接するように構成されている。

さらに、中間転写ベルト２０からトナー像が転写された記録用紙２４は、定着装置６４へと搬送され、この定着装置６４によって加熱及び加圧されてトナー像が記録用紙２４上に定着される。その後、片面プリントの場合には、トナー像が定着された記録用紙２４は、排出ロール６６によって画像形成装置１０の上部に設けられた排出トレイ６８上にそのまま排出される。

―方、両面プリントの場合には、定着装置６４により第一面（表面）にトナー像が定着された記録用紙２４を、排出ロール６６によって排出トレイ６８上にそのまま排出せずに、排出ロール６６によって記録用紙２４の後端部を狭持した状態で、排出ロール６６を逆転させるとともに、記録用紙２４の搬送径路を両面用の用紙搬送路７０に切り替え、この両面用の用紙搬送路７０に配設された搬送ロール７２によって、記録用紙２４の表裏を反転した状態で、再度、中間転写ベルト２０の二次転写位置へ搬送して、記録用紙２４の第二面（裏面）にトナー像を転写する。そして、記録用紙２４の第二面（裏面）のトナー像を定着装置６４によって定着させ、記録媒体２４を排出トレイ６８上に排出する。

さらに、画像形成装置１０には、オプションによって、画像形成装置１０の側面に手差しトレイ７４が開閉自在に装着可能となっている。この手差しトレイ７４上に載置された任意のサイズ及び種類の記録用紙２４は、給紙ロール７６によって給紙され、搬送ロール７３及びレジストロール３６を介して、中間転写ベルト２０の二次転写位置へ搬送されることにより、任意のサイズ及び種類の記録用紙２４にも画像を形成することが可能となっている。

なお、トナー像の転写工程が終了した後の感光体ドラム１２の表面は、感光体ドラム１２が１回転する毎に、感光体ドラム１２の斜め下方に配置されたクリーニング装置７８のクリーニングブレード８０によって、残留トナーや紙粉などが除去され、次の画像形成工程に備えるようになっている。

図２に示すように、感光体ドラム１２の下方部には、感光体ドラム１２と接触するように帯電ロール１４が配置されている。この帯電ロール１４は、導電性のシャフト１４Ａの周囲に帯電層１４Ｂが形成されたものであり、シャフト１４Ａが回転可能に支持されている。帯電ロール１４の感光体ドラム１２と反対側の下方部には、帯電ロール１４の表面に接触するロール状のスポンジ部材１００が設けられている。このスポンジ部材１００は、シャフト１００Ａの周囲にスポンジ層１００Ｂが形成されたものであり、シャフト１００Ａが回転可能に支持されている。

スポンジ部材１００は帯電ロール１４に所定の荷重で押圧され、スポンジ層１００Ｂが帯電ロール１４の周面に沿って弾性変形してニップ部１０１を形成している。感光体ドラム１２は、図示しないモータによって図２中の時計回り（矢印２の方向）に回転駆動され、感光体ドラム１２の回転により帯電ロール１４が矢印４の方向に従動回転する。また、帯電ロール１４の回転によりロール状のスポンジ部材１００が矢印６の方向に従動回転する。

スポンジ部材１００が従動回転することにより、帯電ロール１４の表面のトナーや外添剤などの汚れがスポンジ部材１００によってクリーニングされる。また、帯電ロール１４とスポンジ部材１００は、スポンジ部材１００の接触により帯電ロール１４の表面を削り取る物理的性質を有している。この物理的性質は、帯電ロール１４の材質、表面微小硬度、及び弾性率などを調整すると共に、スポンジ部材１００の材質、発泡体のセル数、及び帯電ロール１４への喰込量などを調整することにより得られる性質である。これらの物理的性質については後述する。

次に、スポンジ部材１００について説明する。

スポンジ部材１００のシャフト１００Ａの材質としては、快削鋼、ステンレス鋼等が使用されており、摺動性などの用途に応じ材質および表面処理方法は適時選択され、導電性を有さない材質についてはメッキ処理など一般的な処理により加工され導電化処理が行われてもよく、もちろんそのまま使用してもよい。また、スポンジ部材１００は、スポンジ層１００Ｂを介して帯電ロール１４と適度なニップ圧力で接触するため、ニップ時に撓みのない強度を持った材質またはシャフト長に対して十分剛性をもったシャフト径が選択される。

スポンジ層１００Ｂは、多孔質の３次元構造を有する発泡体からなる。このスポンジ層１００Ｂは、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリアミド、オレフィン、メラミン又はポリプロピレン、NBR、EPDM、天然ゴム及びスチレンブタジエンゴム、クロロプレン、シリコーン、ニトリル、等の発泡性の樹脂又はゴムを材質としたものより選択される。スポンジ層１００Ｂは、帯電ロール１４との従動摺擦により外添剤などの異物を効率的にクリーニングすると同時に、帯電ロール１４の表面にスポンジ層１００Ｂの擦れによるキズをつけないために、また、長期にわたり千切れや破損が生じないようにするために、引き裂き、引っ張り強さなどに強いポリウレタンが特に好ましく用いられる。

ポリウレタンとして特に限定するものではなく、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリエステルやアクリルポリールなどのポリオールと、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネートや４，４−ジフェニルメタンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、１，６−ヘキサメチレンジイソシアネートなどのイソシアネートの反応を伴っていれば良く、１，４−ブタンジオール、トリメチロールプロパンなど鎖延長剤が混合されていることが好ましい。また、水やアゾジカルボンアミド、アゾビスイソブチロニトリルのようなアゾ化合物などの発泡剤を用いて発泡させるのが一般的である。さらに必要に応じて発泡助剤、整泡剤、触媒などの助剤を加えればよい。

長期的に安定したクリーニング性を維持するには、帯電ロール１４に付着した外添剤やトナーなどの異物をスポンジ部材１００の発泡体のセル内に取り込み、セル内で回収した異物が凝集して適度な大きさになると、スポンジ部材１００から帯電ロール１４を介して感光体ドラム１２に戻し、感光体ドラム１２をクリーニングするクリーニング装置７８に回収することで、クリーニング性能の維持継続がなされていると考えられている。

そのため、スポンジ部材１００のセル数は４０〜８０個／２５ｍｍであることが好ましく、４５〜７５個／２５ｍｍであることがより好ましい。このようなセル数に設定することで、セルの中に外添剤などの異物を取り込みやすく、かつ取り込んだ外添剤などの異物を帯電ロール１４、感光体ドラム１２へ転移しやすくなる。セル数が８０個／２５ｍｍより多いとセル径が小さい為に外添剤の取り込み性が低下し、逆にセル数が４０個／２５ｍｍより少ないとセル径が大きくなりすぎ、取り込んだ外添剤を帯電ロール１４へ転移させる適度な大きさまで固めることが困難となる。

また、スポンジ部材１００の径はφ８ｍｍからφ１５ｍｍ、より好ましくはφ９ｍｍからφ１４ｍｍで、スポンジ層１００Ｂの肉厚が２ｍｍから４ｍｍであることが好ましい。直径が１５ｍｍ以上であるとスポンジ部材１００の周面１箇所あたりの外添剤に接触する回数が減り、またクリーニング回数が減るので、クリーニング性能に対する長期安定性には優れるものの小型化の観点から不利である。直径が９ｍｍ以下であると画像形成装置を小型化できるので優位であるが、周面１箇所あたりの外添剤に接触する回数が増え、またクリーニング回数が増えるので、長期安定性に対し不利となる。

また、スポンジ部材１００の帯電ロール１４への喰込量は、スポンジ部材１００の厚さの１０％〜６０％が好ましく、２０％〜５０％がより好ましい。このような範囲に喰込量を設定することで、適切なニップ幅とニップ圧力を得ることができ、帯電ロール１４の表面を微小に削り取りやすくなる。喰込量が１０％より小さいと、ニップ幅とニップ圧力が不足し、帯電ロール１４を微小に削り取ることができない。また、喰込量が６０％より大きいと、スポンジ部材１００を安定して帯電ロール１４に圧接することができず、帯電ロール１４の表面を均一に削り取ることができない。

また、スポンジ層１００Ｂの中に、トナーに外添される外添剤からなる研磨粒子を含有することが好ましい。研磨粒子としては、ＳｅＯ_２などが用いられる。このような研磨粒子を含有することにより、スポンジ部材１００によって帯電ロール１４の表面を微小に削り取りやすくなる。

次に、帯電ロール１４について説明する。

この帯電ロール１４は、導電性のシャフト１４Ａ上に帯電層１４Ｂとして導電性弾性層、表面層が順次形成されたものである。

帯電ロール１４の帯電層１４Ｂの表面微小硬度は、０．３５以上、２０．０以下が好ましく、０．４０以上、１０．０以下がより好ましい。ここで、表面微小硬度とは、表層数μｍの硬度を測定するもので、帯電ロール１４の表層材料を変えることにより、影響を受ける物性値である。

表面微小硬度は、金属材料の硬さ測定等に広く用いられているビッカース硬さのように、くぼみの対角線長さを求めるという方法はとらず、圧子が試料にどれだけ侵入したかを測定する方法によって求めることができる。試験荷重Ｐ（ｍＮ）、圧子の試料への侵入量（押し込み深さ）Ｄ（μｍ）とした時、表面微小硬度ＤＨは下記式（１）で定義される。

式（１） ＤＨ＝αＰ／Ｄ2
ここで、αは圧子形状による定数で、α＝３．８５８４（使用圧子：三角錐圧子の場合）である。

この表面微小硬度は、圧子を押し込んで行く過程の過重と押し込み深さから得られる硬さで、試料の塑性変形だけでなく、弾性変形をも含んだ状態での材料の強度特性を表すものである。なおかつ、その計測面積は微小であり、トナー粒径に近い範囲でより正確な硬度の測定が可能になる。

帯電ロール１４の帯電層１４Ｂの表面微小硬度は、超微小硬度計ＤＵＨ−２０１Ｓ（株式会社島津製作所製）を用いて測定する。測定条件は、以下の通りである。
・測定環境：２３℃、５５％ＲＨ
・使用圧子：三角錐圧子
・試験モード：３（軟質材料試験）
・試験荷重：０．７０ｇｆ
・負荷速度：０．０１４５ｇｆ／ｓｅｃ
・保持時間：５ｓｅｃ
帯電ロール１４の帯電層１４Ｂの表面微小硬度を上記範囲のように設定することにより、スポンジ部材１００を帯電ロール１４に接触させたときに、スポンジ部材１００によって帯電ロール１４の帯電層１４Ｂの周面を微小に削り取ることができる。表面微小硬度が０．３５以下であると、帯電ロール１４の表面が削り取られすぎてしまい、偏磨耗などが発生する。また、表面微小硬度が２０．０以上であると、スポンジ部材１００によって帯電ロール１４の表面を微小に削り取ることができない。

また、帯電ロール１４の径はφ８ｍｍからφ１５ｍｍ、より好ましくはφ９ｍｍからφ１４ｍｍで、帯電層１４Ｂの肉厚が２ｍｍから４ｍｍであることが好ましい。直径が１５ｍｍ以上であると周面１箇所あたりの外添剤に接触する回数が減り、また放電回数が減るので、汚れや帯電性能に対する長期安定性には優れるものの小型化の観点から不利である。直径が８ｍｍ以下であると画像形成装置１０を小型化できるので優位であるが、周面１箇所あたりの外添剤に接触する回数が増え、また放電回数が増えるので、長期安定性に対し不利となる。

帯電ロール１４の帯電層１４Ｂの弾性率は、８ＭＰａ以上、４５００ＭＰａ以下が好ましく、１０ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ以下がより好ましい。弾性率が８ＭＰａより小さいと、スポンジ部材１００の押圧により安定したニップ形状が形成されず、帯電ロール１４の表面を微小に削り取ることができない。また、弾性率が４５００ＭＰａより大きいと、帯電ロール１４がスポンジ部材１００とのニップ部１０１において著しく変形し、クリーニング性の低下を引き起こし、また感光体ドラム１２とのニップ形状が不均一になるため、帯電不良を発生する。ここで、弾性率は、レオメトリックス社製のレオメーター、商品名「ＲＤＡ２」（ＲＨＩＯＳシステムｖｅｒ．４．３）で、直径８ｍｍのパラレルプレートを用いて、プレート間隔４ｍｍ、周波数１ｒａｄ／ｓｅｃ、昇温速度毎分１℃、測定温度範囲４０〜１５０℃、最大２０％の自動歪み率制御で測定した値である。

この帯電ロール１４であるが、所定の帯電性能を有するものであれば以下の構成に限定されるものでないことは言うまでもない。

シャフト１４Ａの材質としては、快削鋼、ステンレス鋼等が使用され、摺動性などの用途に応じ材質および表面処理方法は適時選択され、導電性を有さない材質についてはメッキ処理など一般的な処理により加工され導電化処理が行われていてもよい。

帯電ロール１４の帯電層１４Ｂを構成する上記導電性弾性層は、例えば、弾性を有するゴム等の弾性材、導電性弾性層の抵抗を調整するカーボンブラックやイオン導電材等の導電材、必要に応じて軟化剤、可塑剤、硬化剤、加硫剤、加硫促進剤、老化防止剤、シリカおよび炭酸カルシウム等の充填剤等、通常ゴムに添加され得る材料を加えてもよい。通常ゴムに添加される材料を添加した混合物を、導電性のシャフト１４Ａの周面に被覆することにより形成される。抵抗値の調整を目的とした導電剤として、マトリックス材に配合されるカーボンブラックやイオン導電剤のような、電子及び／又はイオンを電荷キャリアとして電気伝導する材料を分散したもの等を用いることができる。また、上記弾性材は発泡体であってもかまわない。

上記導電性弾性層を構成する弾性材としては、例えばゴム材中に導電剤を分散させることによって形成される。ゴム材としては、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド共重合ゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド−アリルグリシジルエーテル共重合ゴム、エチレン−プロピレン−ジエン３元共重合ゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、天然ゴム等、及びこれらのブレンドゴムが挙げられる。中でも、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド共重合ゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド−アリルグリシジルエーテル共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴムおよびこれらのブレンドゴムが好ましく用いられる。これらのゴム材は発泡したものであっても無発泡のものであってもよい。

導電剤としては、電子導電剤やイオン導電剤が用いられる。電子導電剤の例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック；熱分解カーボン、グラファイト；アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼等の各種導電性金属または合金；酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化スズ−酸化アンチモン固溶体、酸化スズ−酸化インジウム固溶体等の各種導電性金属酸化物；絶縁物質の表面を導電化処理したもの；などの微粉末を挙げることができる。また、イオン導電剤の例としては、テトラエチルアンモニウム、ラウリルトリメチルアンモニウム等の過塩素酸塩、塩素酸塩等；リチウム、マグネシウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属の過塩素酸塩、塩素酸塩等；を挙げることができる。

これらの導電剤は、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、その添加量は特に制限はないが、上記電子導電剤の場合は、ゴム材１００質量部に対して、１〜６０質量部の範囲であることが好ましく、一方、上記イオン導電剤の場合は、ゴム材１００質量部に対して、０．１〜５．０質量部の範囲であることが好ましい。

帯電層１４Ｂを構成する上記表面層は、トナー等の異物による汚染の防止のためなどに形成しているものであり、表面層の材料としては、樹脂、ゴム等の何れを用いてもよく特に限定するものではない。ポリエステル、ポリイミド、共重合ナイロン、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルブチラール、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、メラミン樹脂、フッ素ゴム、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体等を挙げることができる。

このうち外添剤汚れの観点から、ポリフッ化ビニリデン、４フッ化エチレン共重合体、ポリエステル、ポリイミド、共重合ナイロンが好ましく用いられる。共重合ナイロンは、６１０ナイロン、１１ナイロン、１２ナイロン、の内のいずれか１種または複数種を重合単位として含むものであって、この共重合体に含まれる他の重合単位としては、６ナイロン、６６ナイロン等が挙げられる。ここで、６１０ナイロン、１１ナイロン、１２ナイロンよりなる重合単位が共重合体中に含まれる割合は、重量比で合わせて１０％以上であるのが好ましい。上記重合単位が１０％以上の場合は、調液性および表面層塗布時における成膜性に優れるとともに、特に繰り返し使用時における樹脂層の磨耗や樹脂層への異物付着が少なく、ロールの耐久性が優れ、環境による特性の変化も少なくなる。

上記高分子材料は単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。また、当該高分子材料の数平均分子量は、１，０００〜１００，０００の範囲であることが好ましく、１０，０００〜５０，０００の範囲であることがより好ましい。

また上記表面層には導電性材料を含有させ、抵抗値を調整することができる。該導電性材料としては、粒径が３μｍ以下であるものが望ましい。

また、抵抗値の調整を目的とした導電剤として、マトリックス材に配合されるカーボンブラックや導電性金属酸化物粒子、あるいはイオン導電剤のような、電子及び／又はイオンを電荷キャリアとして電気伝導する材料を分散したもの等を用いることができる。

導電剤のカーボンブラックとして、具体的には、デグサ社製の「スペシャルブラック３５０」、同「スペシャルブラック１００」、同「スペシャルブラック２５０」、同「スペシャルブラック５」、同「スペシャルブラック４」、同「スペシャルブラック４Ａ」、同「スペシャルブラック５５０」、同「スペシャルブラック６」、同「カラーブラックＦＷ２００」、同「カラーブラックＦＷ２」、同「カラーブラックＦＷ２Ｖ」、キャボット社製「ＭＯＮＡＲＣＨ１０００」、キャボット社製「ＭＯＮＡＲＣＨ１３００」、キャボット社製「ＭＯＮＡＲＣＨ１４００」、同「ＭＯＧＵＬ−Ｌ」、同「ＲＥＧＡＬ４００Ｒ」等が挙げられる。

上記カーボンブラックはｐＨ４．０以下であり、一般的なカーボンブラックに比べ、表面に存在する酸素含有官能基の効果により、樹脂組成物中への分散性がよく、前記ｐＨ４．０以下のカーボンブラックを配合することにより、帯電均一性をよくすることができ、さらに抵抗値の変動を小さくすることができる。

上記抵抗値を調整するための導電性粒子である導電性金属酸化物粒子は、酸化錫、アンチモンがドープされた酸化錫、酸化亜鉛、アナターゼ型酸化チタン、ＩＴＯ等の導電性を有した粒子で、電子を電荷キャリアとする導電剤あれば何れも用いることができ、特に限定されるものではない。これらは、単独で用いても２種類以上を併用することができる。また、本発明を阻害しない限り、何れの粒径であってもよいが、抵抗値調整および強度の点より、好ましくは酸化錫、アンチモンドープがされた酸化錫、アナターゼ型酸化チタンであり、更に、酸化錫、アンチモンドープがされた酸化錫が好ましい。

このような導電性材料によって抵抗制御を行うことにより、表面層の抵抗値は環境条件によって変化せず、安定な特性が得られる。

さらに、上記表面層には、フッ素系あるいはシリコーン系の樹脂が用いられている。特に、フッ素変性アクリレートポリマーで構成されることが好ましい。また、表面層の中に微粒子を添加してもよい。これにより、表面層が疎水性となって帯電ロール１４への異物の付着が防止されるように作用する。また、アルミナやシリカのような絶縁性の粒子を添加して、帯電ロール１４の表面に凹凸を付与し、感光体ドラム１２との摺擦時の負担を小さくして帯電ロール１４と感光体ドラム１２相互の耐磨耗性を向上させることも可能である。

なお、画像形成装置１０は、帯電ロール１４の表面にスポンジ部材１００を接触させた構成であるが、スポンジ部材１００の他に、帯電ロール１４の表面に接触する研磨紙、又は、研磨紙の裏あて板にスポンジのような弾力性のある樹脂を利用してクッション性を高めた構成などからなる研磨部材を併設する構成でもよい。これにより、帯電ロール１４の表面を更に安定して微小に削り取ることができる。

次に、画像形成装置１０の帯電ロール１４のクリーニング性を評価するためのテストについて説明する。

帯電ロール１４について、帯電層１４Ｂの表面微小硬度を表１に示すように変化させた７つのサンプルＡ〜Ｇを作成し、クリーニング性のテストを行った。表面微小硬度は、表層数μｍの硬度を測定したもので、帯電層１４Ｂの表層材料を変えることにより、影響を受ける物性値である。

クリーニング性を評価する方法としては、図１に示す画像形成装置１０において、スポンジ部材１００をつけない状態でプリントテストを行ってあらかじめ帯電ロール１４を汚しておき、次に感光体ドラム１２と帯電ロール１４とスポンジ部材１００だけを設置して感光体ドラム１２を所定回数回転させ、帯電ロール１４表面の変化を測定することとした。このときの測定方法は、帯電ロール１４表面に付着した外添剤による白色度の変化を６段階でグレード付けし、０が最も良い状態、６が最も悪い状態とした。

帯電ロール１４のサンプルＡ〜Ｇの材料としては、表面微小硬度の高いＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇは表層材料にフッ素変性アクリレート樹脂を用い、表面微小硬度の小さいＡ、Ｂ、Ｃは表層材料にポリエステル系樹脂を用い、これらの重合度などを調整することによって作成した。また、スポンジ部材１００としてはウレタン発泡ロールを用いた。

図３に示す結果より、帯電ロール１４の帯電層１４Ｂの表面微小硬度が大きいほどクリーニング性が向上していることがわかる。また、フッ素変性アクリレート樹脂を用いたサンプルＤ〜Ｇにおいて、特にクリーニング性が優れることがわかった。また、図３により、表面微小硬度は、０．３５〜１．６が好ましいことがわかる。

次に、帯電ロール１４について、表２に示すように、弾性率が異なる５つのサンプルＨ〜Ｌを作成し、同様のクリーニング性の評価を行った。

図４に示す結果より、弾性率が大きいほどクリーニング性が向上していることがわかる。これは、弾性率が大きいほど帯電ロール１４の下層の弾性率との差が大きくなり、表層が微小に割れやすくなって、ウレタンのような柔らかいスポンジ部材１００で何回も摺擦されることにより、帯電ロール１４の表面が微量ずつ削れていると考えられる。また、図４により、弾性率は、８ＭＰａ〜３２ＭＰａが好ましいことがわかる。

また、図１に示す画像形成装置を用いてプリントテストを行った。その結果、感光体ドラム１２が１Ｍｃｙｃｌｅ（１００００００回転）まで良好な画像を維持することが確認された。また、初期状態と、プリントテスト中の５００ｋｃｙｃｌｅ（５０００００回転）と、終了時の１Ｍｃｙｃｌｅ（１００００００回転）における帯電ロール１４の表面を顕微鏡（KEYENCEレーザー顕微鏡 VK-8510）で観察したところ、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、帯電ロール１４の表面層が徐々に削られている様子が観察された。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す顕微鏡写真には、右下の空欄部分に縮尺（１００μｍの寸法）が記載されている。帯電ロール１４の表面層の磨耗レートは、２．４ｎｍ／ｋｃｙｃｌｅであった（帯電ロール１０００回転あたりの表層磨耗レート）。

このようなテストにより、スポンジ部材１００によって帯電ロール１４の表面を微小に削り取る構成では、感光体ドラム１Ｍｃｙｃｌｅ (プリント枚数に換算すると、約１５００００枚)もの長期にわたって、安定的に帯電可能な画像形成装置１０を達成できることが確認された。

以上のように、本実施形態の画像形成装置１０では、特別に研磨性の高いクリーニング部材ではなく、低硬度なポリウレタン系のスポンジ部材１００を使用することにより、長期にわたって安定的に帯電ロール１４の表面を研磨することができる。さらに、セル構造を有するスポンジ部材１００であることから、微小に削れた帯電ロール１４の表面層は、帯電ロール１４表面に付着した外添剤と一緒にセル中である大きさに固められて帯電ロール１４を介して感光体ドラム１２上に戻され、回転式現像器１８、中間転写ベルト２０、クリーニング装置７８及びクリーニング装置４４によって回収されるため、目詰まりすることなく安定したクリーニング性を維持することができる。このため、従来の５倍以上の長期にわたって帯電ロール１４を均一に帯電することができる。

なお、帯電ロール１４、スポンジ部材１００は上記材質に限定するものではなない。ロール状スポンジ部材によって帯電ロールの表面を微小に削り取ることが可能な材質であれば適宜に設定可能である。

なお、本実施形態では、感光体ドラム１２の下方部に帯電ロール１４を接触させ、この帯電ロール１４の下方部にスポンジ部材１００を接触させる構成であるが、この構成に限定するものではない。例えば、感光体ドラムの上方部に帯電ロールを接触させ、この帯電ロールの上方部にスポンジ部材を接触させる構成でも本発明を適用することが可能である。

なお、本実施形態の画像形成装置１０は、回転式現像器１８を用いて感光体ドラム１２へのトナー像の形成を４サイクル繰り返したが、この構成に限定するものではない。例えば、中間転写ベルトの移動方向に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成ユニットを並設する構成であっても、各画像形成ユニットの感光体ドラム、帯電ロール及びロール状スポンジ部材に本発明を適用することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る画像形成装置を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る画像形成装置に用いられる帯電ロールとスポンジ部材の周囲の構成を示す拡大図である。 帯電ロールの帯電層の表面微小硬度とクリーニング性との関係を示すグラフである。 帯電ロールの帯電層の弾性率とクリーニング性との関係を示すグラフである。 帯電ロールを所定回数回転させたときの帯電ロールの帯電層の削れ状態を示す顕微鏡写真であり、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）は５００ｋｃｙｃｌｅ回転時、（Ｃ）は１Ｍｃｙｃｌｅ回転時の状態である。

符号の説明

１０ 画像形成装置
１２ 感光体ドラム
１４ 帯電ロール
１４Ａ シャフト
１４Ｂ 帯電層
１８ 回転式現像器
２０ 中間転写ベルト
４４ クリーニング装置
７８ クリーニング装置
１００ スポンジ部材（ロール状スポンジ部材）
１００Ａ シャフト
１００Ｂ スポンジ層
１０１ ニップ部

Claims (9)

1. 接触帯電により被帯電体を帯電させる帯電ロールと、
   前記帯電ロールの表面に接触するように支持され、前記帯電ロールと従動回転するロール状スポンジ部材と、を有し、
   前記ロール状スポンジ部材と前記帯電ロールは、前記ロール状スポンジ部材の接触により前記帯電ロール表面を削り取る物理的特性を有していることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記物理的特性は、前記帯電ロールの表面微小硬度を０．３５以上、２０．０以下に設定し、前記ロール状スポンジ部材のセル数を４０〜８０(個/２５ｍｍ)に設定することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記物理的特性は、前記帯電ロールの表面の弾性率を８ＭＰａ以上、４５００ＭＰａ以下に設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記物理的特性は、前記帯電ロールへの喰込量を前記ロール状スポンジ部材の厚さの１０％〜６０％の範囲に設定することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の画像形成装置。
5. 前記物理的特性は、前記ロール状スポンジ部材をウレタン系の樹脂又はゴム材料の発泡体で形成したことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記物理的特性は、前記帯電ロールの表層材料にフッ素変性アクリレートポリマーを含有させることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記ロール状スポンジ部材の他に、前記帯電ロールに当接する研磨部材を併設していることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の画像形成装置。
8. 前記ロール状スポンジ部材はトナーに外添される外添剤からなる研磨粒子を含むことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の画像形成装置。
9. 前記研磨粒子がＳｅＯ_２であることを特徴とする請求項８に記載の画像形成装置。