JP2008040143A - 電極清掃方法、コロナ放電装置、帯電装置、および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて高耐久かつ電極清掃動作の設定自由度が高い転写帯電装置を提供する。
【解決手段】細線状の放電電極１１と放電電極１１の近傍に配設されたシールド電極１２との間に放電バイアス電源２１が接続され、放電バイアス電圧を印加された放電電極１１の周囲でコロナ放電を発生させる。放電電極１１を用いたコロナ放電の通算放電時間が１００分に達するごとに、バイアス電圧を印加したまま電極伸縮アクチュエータを複数回作動させて放電電極１１を３％伸縮させる動作を繰り返す。伸縮によって疲労して放電電極の表面から分離したスケールは、間髪を入れずに高電圧によって弾き飛ばされるので、放電電極１１が清掃されて放電均一性が回復する。
【選択図】図３

Description

張設された放電電極に放電電圧を印加してコロナ放電を発生させるコロナ放電装置における電極清掃方法と、この電極清掃方法を実施可能なコロナ放電装置とに関する。

尖った電極の周囲に形成される急勾配な電界によって比較的に低い電圧で持続的な放電を発生させるコロナ放電装置が実用化されている。細線状や薄帯状の放電電極を張設して三側面をシールド電極で覆ったコロナ放電装置は、シールド電極と放電電極との間に数１００〜数ｋＶの電圧を印加して、大気中で、安定した放電を継続可能である。

コロナ放電装置における放電電極の表面は、放電中に放電生成物の被爆を受けて、突起物が形成されたり、電子放出を妨げる汚染層が形成されたりする。このような絶縁層や汚染層は、正常なコロナ放電を妨げて放電均一性を低下させる。そこで、所定の放電継続時間に達したり、所定の放電電流が得られる電圧が高まって放電効率が所定水準を割り込んだりした段階で、コロナ放電装置の放電電極を自動清掃する画像形成装置が実用化されている。

特許文献１には、モーター駆動されるスクリュー軸を用いて、張設された細線状の放電電極に沿ってクリーニング部材を移動させるコロナ放電装置が示される。クリーニング部材は、一対のフェルト材料で放電電極を挟み込んでおり、フェルト材料を往復移動させ、放電電極を摺擦して付着物を拭き取る。

特許文献２には、感光体ドラムの周囲に一次帯電装置としてのコロナ放電装置と、記録材への転写帯電装置としてのコロナ放電装置とを配置した静電写真方式の画像形成装置が示される。転写帯電装置としてのコロナ放電器の放電経路にレーザー光を照射して気体を励起／電離させることにより、低い放電電圧でも安定したコロナ放電を維持させている。

特開２００５−２４６２０号公報 特開２００６−１１９５０５号公報

特許文献１に示されるコロナ放電装置は、張設された放電電極の全長に渡ってクリーニング部材を移動させるための大掛かりな機構が必要である。放電電極の張設距離と等しい長さのクリーニング部材案内機構、クリーニング部材の移動空間と待機空間、長いスクリュー軸を含む駆動機構が必要である。これらの機構や空間は、コロナ放電装置の組み立てを複雑化して部品点数を増大させるので、画像形成装置の小型軽量化、製造コストの削減を困難にする。

また、クリーニング部材が放電電極を挟み込む方向にしか摺擦の圧力が作用しないので、挟み込む方向と直角な方向の側面の付着物は拭き取りできず、清掃による放電均一性の回復が十分ではない。フェルト材料に絡む突起物は除去できるが、表面が平坦な付着層や汚染層に対してはあまり除去効果を期待できない。

特許文献２に示されるコロナ放電装置は、低い電圧で運転できるので放電電極の表面に絶縁層や汚染層を形成しないで済む。しかし、レーザー光源、光学系、ビーム走査機構等の過大な装置構成が付加されるので、特許文献１よりもさらに画像形成装置の小型軽量化、製造コストの削減を妨げる。

本発明は、放電電極の張設方向の一端に片寄せた簡単な機構を用いて、放電電極の清掃に大きな効果を発揮できるコロナ放電装置の電極清掃方法を提供することを目的としている。また、張設された放電電極を伸縮させる操作によって、放電電極の表面に形成された絶縁層や汚染層を表面から分離できるコロナ放電装置を提供することを目的としている。

本発明の電極清掃方法は、放電電極が張設されたコロナ放電装置における電極清掃方法である。前記放電電極を伸縮させて前記放電電極の付着物を脱落容易にする第１工程と、脱落容易となった付着物を前記放電電極の表面から脱落させる第２工程とを備える。

本発明のコロナ放電装置は、放電電極が張設されたものである。前記放電電極を張設方向に伸縮させて前記放電電極の付着物を脱落容易にする伸縮手段を備えている。

本発明の電極清掃方法では、第２工程における付着物の脱落に先立たせて、第１工程で放電電極を伸縮させる。このとき、放電電極と付着物との間の伸縮量の差によって、放電電極の表面と付着物との間に隙間が形成されたり、付着物の組織に亀裂や損傷が生じたりする。伸縮に伴って放電電極の表面組織と不純物原子との結合が緩んだり、表面組織から気体分子が追い出されたりする場合もある。

第２工程の例は、摺擦、弾弦振動、衝撃、超音波、粒子吹き付け、高電圧の印加等である。これらの中でも高電圧を利用した場合は、電気的な反発力が、第１工程で形成された隙間を拡大する方向に付勢して、付着物を放電電極の表面から弾き飛ばすように脱落させることも可能である。言い換えれば、コロナ放電に伴って逆極性に帯電して放電電極に付着した付着物を、同極性に帯電させて放電電極から追い出すことができる。付着物や不純物が脱落した放電電極の表面は、当初の電子放出能力や表面抵抗を回復して、放電均一性や放電効率が高まる。

第２工程で高電圧を利用する場合、伸縮と高電圧の印加とは同時並行的に行うことが望ましい。付着物に形成された隙間や損傷が回復する前に、間髪を入れずに高電圧によって一気に脱落させ得るからである。

第２工程で高電圧を利用する場合、高電圧を印加した状態で繰り返しの伸縮を行うことはさらに望ましい。付着物の組織を疲労させて隙間や損傷を効率的に発生させるからである。

本発明のコロナ放電装置は、本発明の電極清掃方法を行う際に、伸縮駆動機構を作動させて上記第１工程を実行する。伸縮駆動機構が放電電極を伸縮させると、放電電極と付着物との間の弾性定数差、剛性差、ひずみ量差、疲労抵抗差等が、放電電極の表面と付着物との間に隙間を形成したり、付着物の組織に損傷を与えたりする。隙間や損傷は、伸縮しない場合に比較して付着物の分離を各段に容易にする。

従って、弱い圧力の摺擦でも付着物を効率的に除去できる。伸縮前はコロナ放電時の電圧印加に耐えて付着していた付着物でも、新たに形成された隙間や損傷に高電圧を作用させて電気的な反発力で押し広げ、弾き飛ばすことができる。

以下、本発明の一実施形態であるコロナ放電装置を帯電装置として搭載した画像形成装置について、図面を参照して詳細に説明する。本発明のコロナ放電装置は、以下に説明する実施形態の限定的な構成には限定されない。張設した放電電極を張接方向に伸縮させて付着物を除去する限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。

本発明のコロナ放電装置は、以下で説明する画像形成装置に搭載された各種の帯電装置には限定されない。空気中で安定した放電を継続して気体分子や浮遊粒子を帯電させる各種装置に搭載して各種の用途に利用可能である。このような場合、本発明のコロナ放電装置には、これらの各種の用途に適合させるための必要な構成が付加されることは言うまでも無い。

なお、特許文献１、２に示される画像形成装置の一般的な構造、制御、運転方法、コロナ放電装置やコロナ放電現象の詳細については、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。

＜第１実施形態＞
図１は分離帯電装置を搭載した画像形成装置の構成の説明図、図２は分離帯電装置としてのコロナ放電装置の構成の説明図、図３はコロナ放電装置の伸縮駆動機構の説明図である。図４は伸縮率と放電電流密度分布との関係の線図、図５は図４の部分的な拡大図、図６は伸縮率と放電むらの関係の線図である。

図１に示すように、画像形成装置１００は、感光体ドラム１に形成されたトナー像を記録材Ｐに転写して画像形成する。回転する感光体ドラム１の周囲には、一次帯電装置２、露光装置７、現像装置３、転写帯電装置１０、およびクリーニング装置６が配置される。一次帯電装置２は、感光体ドラム１の表面を一様に帯電させる。露光装置７は、不図示の光源から強度変調して出力されたレーザービームを回転ミラー７ｂにより走査し、ミラー７ａで折り返して感光体ドラム１に照射する。これにより、一様に帯電された感光体ドラムの表面に静電潜像が書き込まれる。

現像装置３は、現像バイアス電源２２から直流電圧と交流電圧とを重畳した現像バイアス電圧を印加された現像スリーブ３ａを有する。現像スリーブ３ａは、中心に固定配置された永久磁石の周囲で回転しており、ブレード３ｂによって厚さを規定された穂立ち状態のトナーを表面に保持する。現像スリーブ３ａは、感光体ドラム１の表面の静電潜像にトナーを吸着させて感光体ドラム１の表面にトナー像を形成する。

転写帯電装置１０は、放電電源を兼ねた放電バイアス電源２１から正電位の転写バイアス電圧を印加されてコロナ放電を発生させ、正電位のイオンフローを記録材Ｐの背面に吹き付ける。レジストローラ４から感光体ドラム１下に搬送された記録材Ｐは、トナーのマイナス帯電極性と反対極性の正電位に帯電してトナー像を表面に吸着する。

クリーニング装置６は、感光体ドラム１に残った転写残トナーを除去して次回の画像形成に備えさせる。クリーニング装置６の下流側には、感光体ドラム１の表面に残った静電潜像を解消する不図示の前露光ランプも配置されている。

搬送ベルト５は、トナー像を転写された記録材Ｐを定着装置９へ搬送する。定着装置９は、トナー像が転写された記録材Ｐを加熱加圧して記録材Ｐの表面にトナー像を定着させる。

図２に示すように、転写帯電装置としてのコロナ放電装置１０は、感光体ドラム１（図１）の長さに相当する細長い開口１２ｃに細線形状の放電電極１１を配置する。放電電極１１の三方向の側面は、アルミニウムのシールド電極１２で覆われ、放電電極１１を張設する機構を格納した機構収納部１２ａ、１２ｂが両端に配置する。コロナ放電装置１０は、シールド電極１２と放電電極１１との間に放電電圧を印加することにより、大気中で安定したコロナ放電を継続させる。そして、放電電極１１の周囲の空間で形成された放電生成物である帯電分子を用いて記録材Ｐ（図１）を帯電させる。

図３に示すように、放電電極１１は、変形量６％の負荷、除荷サイクルを１００００回以上行うことができる超弾性合金より成る直径６０μｍの細線形状である。好適な超弾性合金材料の一例としては、古河テクノマテリアル社製のＮｉ−Ｔｉ−Ｃｒ系超弾性合金（製品記号ＮＴ−Ｎ）がある。

放電電極１１は、５％の延伸状態で張力を持たせて張設される。放電電極１１は、回転自在な電極張架部材１４、１５に掛け渡され、両端部分をそれぞれ電極端部ピン１３、１６に固定してある。放電電極１１の背面には、シールド電極１２が配設され、放電電極１１とシールド電極１２との間に放電バイアス電源２１が接続されている。伸縮駆動側の電極端部ピン１６は、電磁アクチュエータである電極伸縮アクチュエータ１８の駆動軸１７に固定される。電極伸縮アクチュエータ１８を作動させると、電極端部ピン１６は、放電電極１１を短くする方向へ放電電極１１全長の３％相当の距離移動する。

制御装置２０は、電極伸縮アクチュエータ１８にアクチュエータ制御信号を出力して放電電極１１の伸縮を制御する。制御装置２０は、放電バイアス電源２１に放電バイアス制御信号を出力して放電電極１１に印加される放電バイアス電圧を制御し、放電動作時に４０μＡ／ｃｍ前後のコロナ放電動作を継続させる。

制御装置は、放電バイアス電源２１の出力状態を検知して清掃時期を決定する。放電電流と放電時間とから通算放電電荷量を算出し、通算放電電荷量が０．３Ｃ／ｃｍに達するごとに電極伸縮アクチュエータ１８を駆動させて、放電電極１１を３％収縮させた後に延伸する。例えば４０μＡ／ｃｍの放電動作であれば、放電時間６０００秒に一回の頻度で放電電極１１を伸縮（正確には縮伸）させる。毎回の収縮及び延伸は、各々５ｍｓ程度の時間で急速に成され、収縮中および延伸中も放電バイアス電圧は印加され続ける。放電バイアス電圧を印加した状態で放電電極１１を素早く収縮／延伸させるので、放電電極１１の表面から剥離した放電生成物は、力学的、静電的に放電電極１１から弾き飛ばされる。

このようにして放電電極１１を３％伸縮させるコロナ放電装置１０では、４０μＡ／ｃｍの放電時間７５００秒ごとに一回という上述の清掃頻度で、十分な放電均一性を確保できた。そして、この清掃頻度で放電電極の清掃を繰り返すことにより、８０Ｃ／ｃｍの通算放電電荷量、すなわち４０μＡ／ｃｍの放電時間約５６０時間を過ぎても放電均一性の悪化傾向が見られなかった。

また、コロナ放電装置１０では、３％伸縮後の放電の均一性は、清掃前の放電電極１１の汚染状況に依らないことが判明した。すなわち、長時間の連続運転を行って放電均一性が極端に悪化した状態からでも、３％伸縮の清掃動作を行うことにより極めて高い放電均一性を回復できる。例えば、通算放電電荷量０．６Ｃ／ｃｍごとの清掃動作とした場合でも通算放電電荷量０．３Ｃ／ｃｍごとの清掃動作とした場合と同等な放電均一性を回復できた。４０μＡ／ｃｍの放電時間１５０００秒に一回の清掃頻度である。

ただし、通算放電電荷量０．６Ｃ／ｃｍごとの清掃動作とした場合、清掃直前には有意な放電均一性の低下が見られた。すなわち、有意な放電均一性の低下をもたらすような放電生成物を３％伸縮の清掃動作によってほぼ完全に除去できると推察される。従って、コロナ放電装置１０の使用目的によって決まる放電均一性を維持できる最大の連続放電時間を清掃間隔に設定しても問題を生じない。清掃間隔が長くても放電電極１１の寿命が短くなることは無く、清掃実施の設定自由度は従来の清掃方法を用いたコロナ放電装置に比べて極めて高い。

これに対して、従来のコロナ放電装置では、４０μＡ／ｃｍの放電時間２０００秒ごとに一回という第１実施形態の１／３の周期での清掃動作を行わないと十分な放電均一性を確保できなかった。通算放電電荷量０．０８Ｃ／ｃｍごとに１回の清掃頻度となる。従来のコロナ放電装置とは、放電電極に６０μｍのタングステンワイヤを用いて、クリーニング部材を放電電極に沿って往復動作させて清掃するものである。

また、従来のコロナ放電装置では、清掃間隔が長くなると放電電極の放電効率を回復できなくなる。後述する均し系クリーニング部材の場合、通算放電電荷量０．０８Ｃ／ｃｍで清掃を繰り返すと、通算放電電荷量１０Ｃ／ｃｍで放電均一性の十分な回復が得られなくなる。４０μＡ／ｃｍの放電時間として約７０時間である。また、後述する接触剥ぎ取り系クリーニング部材の場合、同じく通算放電電荷量０．０８Ｃ／ｃｍで清掃を繰り返すと、通算放電電荷量２０Ｃ／ｃｍで放電均一性の十分な回復が得られなくなる。４０μＡ／ｃｍの放電時間として約１４０時間である。そして、清掃間隔を上記よりも長くした場合、清掃動作によって放電均一性を十分に回復できなくなるまでの運転時間は、いずれのクリーニング部材においても上記よりも短くなる。これは、後述するように、クリーニング部材の清掃効果が限定的で、付着物の完全な除去が不可能なためである。

従って、３％伸縮の清掃動作は、均し系クリーニング部材や接触剥ぎ取り系クリーニング部材に比較して付着物をより完全に剥落させて、放電電極１１の放電均一性や放電効率をより完全に回復させることが実証された。

ところで、図４乃至図６に示すように、清掃動作における放電電極１１の伸縮率は、清掃効果を大きく左右する。清掃時の電極伸縮動作の大きさで清掃の効果が変わる。図４は、伸縮率を０．１〜２％に異ならせて清掃動作を繰り返した場合の放電電極１１に沿った放電出力電流密度の分布を比較している。通算放電電荷量０．３Ｃ／ｃｍごとに清掃動作を繰り返して通算放電電荷量２０Ｃ／ｃｍに達した耐久状態で、放電出力電流密度の分布を測定した結果である。図５は同じ測定結果の部分的な拡大図である。

図４、図５に示すように、放電電極１１の放電均一性が際限なく悪化して異常放電に至る事態を回避するためには、放電時間６０００秒に一回の頻度で、放電電極１１を０．１％伸縮させる清掃動作を繰り返せば十分である。但し、図４からわかるように、０．１％伸縮では、維持される放電均一性は低く、初期状態の１００倍程度の放電むらを許容しなくてはならない。

清掃動作における放電電極１１の伸縮率と耐久後の放電電流密度のむらの大きさの関係を図６に初期状態と比較して示す。図６に示すように、放電むらを初期状態の１０倍程度に維持するには０．５％の伸縮率、２倍程度に維持するには１％の伸縮率が必要であった。２％以上の伸縮動作では、放電むらが初期状態とほぼ変わらない状態を維持できる。

このように定めた伸縮率と清掃頻度とで制御装置が２０が放電電極１１を伸縮させるので、コロナ放電装置１０の放電電極１１に沿った放電電流密度のむらは耐久状態でも低く抑制される。放電電流密度のむらが抑制されるため、コロナ放電装置１０による記録材Ｐの幅方向における帯電量のばらつきが小さくなり、帯電量のばらつきに起因するトナー像の転写不良が減る。これにより、画像形成装置１００が形成する画像の品質と均一性とが向上する。

＜第２実施形態＞
図７は第２実施形態のコロナ放電装置の構成の説明図である。第２実施形態のコロナ放電装置３０は、図１に示す画像形成装置１００のコロナ放電装置１０を置き換えて設置される。第１実施形態との違いは、放電電極３１を形状記憶合金として通電加熱により伸縮させて清掃を行い、放電電極３１に沿って往復移動するクリーニング部材４１も付加したことである。これ以外は第１実施形態と同様に構成されているので、図７中、図３と共通する構成には共通の符号を付して、一部図示を省略し、詳細な説明を省略する。

第２実施形態で用いる放電電極３１は、変態温度７０度、変形量６％の変形、復元サイクルを１００００回以上行うことができる形状記憶合金の細線（直径６０μｍ）である。好適な形状記憶合金材料の一例は、古河テクノマテリアルのＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ系形状記憶合金（製品記号ＮＴ−Ｈ）である。

放電電極３１は、回転自在な通電電極３４、３５に掛け渡され、通電電極３５側の端部を電極端部ピン３６に固定してある。通電電極３４側の端部は、張架ばね３２を介して電極端部ピン１３に固定され、放電電極３１は、張架ばね３２の張力によって電極端部ピン１３、３６の間に張り渡される。放電電極３１の伸縮に伴って張架ばね３２が伸縮して放電電極３１の張力を確保し、放電電極３１にたるみを生じさせない。

放電電極３１の背面には、シールド電極１２が配設され、放電電極３１とシールド電極１２との間には放電バイアス電源２１が接続されている。通電電極３４、３５には通電電源３３が接続され、通電電極３４、３５間の放電電極３１に所定の電流を流すことで、放電電極３１は、変態点を越える１００度程度にまで加熱される。

放電電極３１は、非通電時に５％の伸びで張り渡され、変態点を越える通電加熱によって、張架ばね３２の復元力に逆らって２％の伸びまで収縮する。張架ばね３２は、そのように長さ及びばね定数を設定してある。

放電電極３１の通電電極３５近傍の非放電領域には、２枚のウレタンスポンジから成るクリーニング部材４１が配設されている。クリーニング部材４１は、清掃部材駆動装置４４によって通電電極３５近傍の非放電領域（実線位置）から通電電極３４近傍の非放電領域（破線位置）まで往復移動が可能である。クリーニング部材４１は、モーター駆動されるスクリュー軸４２に係合された送りねじ４３に取り付けられ、往復移動に伴って、放電電極３１を拭き取り動作する。

なお、クリーニング部材４１は、通電電極３５近傍の非放電領域にあるときは、図示しない離間部材により放電電極３１から離間されており、移動して放電領域を通過する際には、離間部材から外れて放電電極３１に接触する。

制御装置２０からは、放電バイアス電源２１に対して放電バイアス制御信号、通電電源３３に対して通電電源制御信号、清掃部材駆動装置４４に対して清掃部材駆動信号がそれぞれ出力される。

制御装置２０は、放電動作時に放電バイアス電源２１から帯電バイアス電圧を出力させて、４０μＡ／ｃｍ前後のコロナ放電を継続させる。制御装置２０は、放電バイアス電源２１が出力する放電電流と放電時間とを検知して通算放電電荷量を算出する。そして、通算放電電荷量が０．３Ｃ／ｃｍ（４０μＡ／ｃｍの放電動作であれば放電時間６０００秒）に達するごとに放電バイアス電源２１を停止させて、伸縮動作による放電電極３１の非接触清掃動作を行う。放電停止した放電電極３１は、通電電源３３によって通電されて変態点を越える温度まで加熱され、形状記憶合金の形状復元作用により３％収縮した後、通電を停止されて常温の５％延伸状態に復帰する。

この非接触清掃動作によって放電生成物は、放電電極３１の表面から剥離するが、収縮、延伸の早さが遅いため、放電電極３１の表面上に留まる。通電電源３３を用いた放電電極３１の伸縮動作後、制御装置２０は、清掃部材駆動装置４４を作動させて拭き取り動作による放電電極３１の接触清掃動作を行う。クリーニング部材４１を往復移動させて放電電極３１の表面の放電生成物を拭き取ることにより、放電電極３１の表面上の剥離した放電生成物は放電電極３１の放電領域からほぼ完全に除去される。

以上をもって、非接触清掃動作と接触清掃動作とによる放電電極３１の清掃が完了して、放電電流密度のむらを抑制したコロナ放電動作を再び得られる。

第２実施形態では、クリーニング部材４１によって放電生成物が回収されるため、第１実施形態に比較して、コロナ放電装置３０の内部や近傍に放電生成物が飛散しにくい。従って、放電生成物の飛散によるコロナ放電装置３０近傍（例えば感光体ドラム１：図１）の汚染を嫌う用途ではこの構成が望ましい。

第２実施形態では、また、形状記憶合金の加熱による復元動作を用いて放電電極３１の伸縮動作を実現しているので、第１実施形態のような機械的に放電電極を伸縮させる駆動機構を設ける必要が無い。

＜第３実施形態＞
第３実施形態のコロナ放電装置は、図７に示される第２実施形態の構成からクリーニング部材４１、送りねじ４３、スクリュー軸４２、清掃部材駆動装置４４を取り除いて構成される。このため、極めて簡易な構成と言える。周囲に対する放電生成物の飛散を防ぐ必要が無い場合、クリーニング部材４１を用いた接触清掃動作を、第１実施形態と同様な高電圧印加に置き換えることができる。第３実施形態では、制御装置２０は、放電バイアス電源２１により帯電バイアス電圧を印加した状態で、通電電源３３を作動させて放電電極３１を通電加熱／停止を繰り返す。これにより、放電電極３１が３％伸縮動作を繰り返して放電生成物が表面から剥離すると、剥離した放電生成物は、第１実施形態と同様な電気的な力によって間髪を入れずに弾き飛ばされる。

第３実施形態では、放電を継続しながら放電電極３１の非接触清掃動作を行うことで、剥離した放電生成物の殆どを静電的にはじき出して除去する。放電電極３１上に放電生成物が残る場合もあるが、この場合、放電バイアス電源２１のオン、オフを繰り返すことでほぼ完全に除去できる。例えば、帯電バイアス電圧のオンを５ｍｓ、オフを５ｍｓのオンオフを１００サイクル繰り返す。

第３実施形態のコロナ放電装置は、機械的な駆動部や駆動機構を備えることなく放電電極３１のクリーニングを実施できるので、極めて高耐久かつ電極清掃動作の設定自由度が高いコロナ放電装置を実現できる。

＜第４実施形態＞
図８は第４実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。第１実施形態〜第３実施形態は、画像形成装置１００の分離帯電装置としてのコロナ放電装置を説明したが、本発明のコロナ放電装置は、画像形成装置の一次帯電装置としても利用可能である。一次帯電装置として本発明のコロナ放電装置を使用する場合、一次帯電電位を制御するためのグリッドが付加されることが望ましい。

図８に示すように、画像形成装置２００の感光体ドラム５１の周囲には、一次帯電装置５０、露光装置５７、現像装置５３、一次転写帯電装置７０、クリーニング装置５６、前露光装置５８が配置される。

一次帯電装置５０は、矢印方向に回転する感光体ドラム５１の表面を一様な正電位の帯電状態に帯電させる。露光装置５７は、感光体ドラム５１の表面にレーザービームを走査して、露光点の電位を画素濃度に応じた電位まで放電させて静電潜像を形成する。現像装置５３は、現像スリーブ５３ａに磁気的に担持させた負電位のトナーを感光体ドラム５１表面の正電位の静電潜像に電気的に付着させてトナー像を形成する。

無端ベルト状の中間転写ベルト６７は、感光体ドラム５１の表面に接触させて配置され、同一方向へ同一速度で循環する。一次転写帯電装置７０は、中間転写ベルト６７を裏面側から正電位に帯電させて、トナー像を感光体ドラム５１から中間転写ベルト６７へ転写する。クリーニング装置５６は、クリーニングブレード５６ａによって感光体ドラム５１に残留した転写残トナーを除去する。前露光装置５８は、転写残トナーを除去された感光体ドラム５１の表面を露光して前回の静電潜像を放電させて消去する。中間転写ベルト６７に一次転写されたトナー像は、不図示の二次転写部で記録材に転写される。

一次帯電装置は、感光体ドラム５１の長さに相当する長さを持たせた細線状の放電電極６１の両側面にシールド電極６２を配置している。放電電極６１とシールド電極６２との間に、不図示の放電バイアス電源から放電電圧が印加されて、放電電極６１の周囲で安定したコロナ放電が形成される。

放電電極６１と感光体ドラム５１の表面との間にグリッド６３が配置される。放電電極６１とグリッド６３との間には、可変電圧を出力するグリッドバイアス電源が接続されている。グリッドバイアス電源は、放電電極６１の周囲で形成されたイオンが感光体ドラム５１の表面に達して一次帯電に寄与する量を調整して、一次帯電の電位を制御する。

このように構成された一次帯電装置５０は、第２実施形態と同様な放電電極６１のクリーニング機構を備えている。そして、放電電極６１を通電加熱して張設方向に３％伸縮させた後に、拭き取り部材を張設方向に往復移動させて放電電極６１の表面を摺擦することにより、放電生成物を取り除く。

＜第５実施形態＞
本発明のコロナ放電装置は、画像形成装置に搭載される各種の帯電装置以外にも各種の用途に利用できる。

空気中の浮遊粒子を帯電させてフィルタに吸着させる粒子分離装置や空気清浄機に搭載可能である。静電塗装物、布、樹脂製品等の除電装置等、コロナ放電を利用して帯電、除電を行う各種帯電装置、除電装置に搭載可能である。オゾンを発生して各種処理を行う殺菌装置、オゾン発生装置にも搭載可能である。

＜開発の経緯＞
コロナ放電装置の放電電極には、孤立した針や、針の並び、板を鋸刃状に加工して鋭い先端を多数形成したもの、細線など、用途に応じて好適な放電特性を持つものが選択される。細線状の放電電極は、放電電流値は小さいが放電分布が一次元的に高い均一性を持つので、画像形成装置の各種帯電装置に採用されている。細線状の放電電極を用いた場合の放電均一性は、放電動作に伴う放電生成物による放電電極の汚染のため損なわれる。放電電極表面の放電生成物は、放電電極を被う鞘状の部分と、ひげ状もしくは樹状突起部分とから成り、主にシリコン酸化物、カルシウム酸化物等の無機化合物から形成されている。放電電極の汚染による放電均一性の悪化を防ぐため、上述したように、放電電極の清掃機構を設けることが実施されている。広く用いられているのは、清掃時に放電電極に当接して放電電極に沿って移動するクリーニング部材を用いた清掃方式である。

クリーニング部材を用いた清掃方式は、大きく２つに分類できる。ひとつは放電電極の表面に付着した放電生成物の表面を均すことで放電の均一性を維持する方式である。これを均し系と呼ぶ。均し系では、スポンジのような柔らかいクリーニング部材を用いて放電電極の表面を撫でるように擦ることにより、放電生成物の鞘状の部分を傷付けること無く、突出部分のみを取り除く。残された鞘状の部分は放電に伴って均一に成長する傾向があるため、放電の均一性は維持できる。均し系クリーニング部材を用いた場合の放電電極の寿命は、クリーニング部材やその駆動系に由来する清掃状態の長手方向不均一により鞘状の部分の厚さの不均一が徐々に大きくなり、この不均一に依る放電むらが無視できなくなった時点である。もしくは厚くなった鞘状の部分が損傷して突然部分的に強い放電むらを来した時点である。すなわち、放電に伴って鞘状の部位が確実に肥厚していくことに由来しており、これを回避することには限界がある。

もう一つは放電電極の表面に付着した放電生成物をできる限り剥ぎ取ることで放電の均一性を維持する方式である。これを接触剥ぎ取り系と呼ぶ。接触剥ぎ取り系のクリーニング部材では、放電生成物の樹状突起部分に加えて鞘状の部分も取り除くことを目指している。接触剥ぎ取り系のクリーニング部材は、細かくても１０００番程度の粗い研磨粒子を不織布の上にエポキシで固着したような比較的硬くて研磨力の高い部材を放電電極に強く押し当てて用い、鞘状部位を削り取る強研磨系が広く用いられている。強研磨系では清掃を繰り返すことによる研磨粒子の脱落や削り取った放電生成物による目詰まりで研磨能力が落ち、鞘状部位を剥ぎ取れなくなることで放電電極の寿命が決まってくる。

他に曲率の大きい突き当て部材を放電電極に押し当てて放電電極大きな曲率で曲げることにより、硬くてもろい放電生成物の鞘状の部分を剥離させる屈曲系も提案されている。しかし、屈曲系は、放電電極に対する機械的ダメージが大きく、複数の方向に曲げる構成が複雑になり、放電電極の全周に渡る放電生成物の剥離を保証することが難しい等の理由からあまり用いられていない。

以上述べたように、クリーニング部材を用いた清掃方式では、放電電極の寿命は制限があり、これを回避することは難しい。加えて均し系、剥ぎ取り系共に必要最低限の清掃頻度があり、これは放電環境により変化する。例えば放電雰囲気中に含まれるシリコンオイルの蒸気が多いと必要最低限の清掃頻度は高くなる。必要最低限の清掃頻度で清掃を行うことを怠ると回復不能な寿命の短縮が起きることから、想定される最悪の動作環境に合わせた清掃頻度を設定する必要があり、通常の動作条件に対して必要以上に高い頻度である。このため、放電動作の中断を伴う清掃動作を行うことを余儀なくされる。

これに対して第１実施形態〜第５実施形態で説明したコロナ放電装置は、放電電極が伸長、収縮される時、伸縮する放電電極の表面と硬く脆い放電生成物の鞘との間にずれが生じ、放電生成物は放電電極表面から剥離する。放電電極の伸縮に伴う薄利作用は極めて高く、ある程度放電生成物が堆積した状態でも一定の状態まで一気に剥がしきることができる。従って、クリーニング部材に頼る従来の装置に比較して、放電電極の全周に渡ってより完全に放電生成物を除去できる。

放電電極の伸縮プロセスにおける長さの変化率は、０．１％以上１０％以下である。この数値は、我々の実験において、変化率が０．１％以上で有意な清掃効果が見られたこと、及び１０％を越える電極長伸縮プロセスを１０回以上行うことができる金属材料を見出すことができなかったことに由来する。１％以上の変化率の場合、清掃効果は十分に高く、それ以上変化率を大きくしても放電むらの維持効果の改善は見られない。

０．１％、好適には１％以上の電極長伸縮プロセスを行った場合、通常の金属材料では疲労により早晩破断を来す。これを回避するには、大きな可逆変形を行うことができる材料を用いれば良い。このような材料としてＴｉとＮｉを主成分とする超弾性材料が広く一般に用いられている。このような材料の中には、５％以上の電極長伸縮プロセスを１００００回以上行うことができるものもある。その他にも構造相転移を伴わない弾性変形で１％以上の可逆変形を行うことができる材料も存在するが、一般的ではなく高価で、現状細線状に加工することは難しい。

また、放電電極として変態温度以上に加熱することにより構造相転移を伴う変形をきたし所定形状に復元する形状記憶材料で形成された細線を用いることができる。この場合、放電電極に所定の電流を流して通電加熱により変態温度以上に加熱し、張力を変えることで放電電極の長さを変えることができる。繰り返し大変形が可能な材料として形状記憶合金を用いることにより、放電電極の伸縮プロセスを機械的駆動機構無しに実現できる。

ところで、放電電極の伸縮プロセスが保証するのは、放電電極の表面からの放電生成物の剥離であり、除去については一般には保証しない。伸縮プロセスを、例えば放電電極を弾くようにして極めて早く実施する、もしくは／及び放電を行いながら実施することで、剥離した放電生成物を放電電極から除去することは可能である。しかし、除去された放電生成物は周囲に飛散することになり、これを許容しない用途も多い。伸張プロセスを０．１秒以上の時間をかけてゆっくりと行うことで放電生成物の飛散を防ぐことができる。この場合、剥離した放電生成物は、放電電極に付着した状態で残るので、これをクリーニング部材で拭き取って回収することが望ましい。放電電極に当接した状態で放電電極に沿って移動するクリーニング部材を設け、清掃動作時には放電電極を伸縮させた後にクリーニング部材に拭き取り動作を行わせる。このような構成と制御とを採用することで、剥ぎ取った放電生成物を飛散させずに放電電極から除去することが可能になり、極めて高耐久かつ電極清掃動作の設定自由度が高いコロナ放電装置を実現できる。

＜発明との対応＞
第１実施形態のコロナ放電装置１０は、放電電極１１が張設されたコロナ放電装置１０における電極清掃方法である。放電電極１１を伸縮させて放電電極１１の付着物を脱落容易にする第１工程と、脱落容易となった付着物を放電電極１１の表面から脱落させる第２工程とを備える。

第１実施形態では、第２工程で印加される放電バイアス電圧を兼ねた高電圧が、放電電極１１の表面に堆積した付着物を脱落させる。高電圧は、放電バイアス電圧以外の電圧としてもよく、高電圧は、第２実施形態のような摺擦、弾弦振動、衝撃、超音波、研磨粒子の吹き付け等に置き換えてもよい。

付着物の脱落に先立たせて、制御装置２０が電極伸縮アクチュエータ１８を作動させて放電電極１１を伸縮させる。このとき、放電電極１１と付着物との間の伸縮量の差によって、放電電極１１の表面と付着物との間に隙間が形成されたり、付着物の組織に亀裂や損傷が生じたりする。伸縮に伴って放電電極１１の表面組織と不純物原子との結合が緩んだり、表面組織から気体分子が追い出されたりする場合もある。

第１実施形態では、付着物を脱落させるために高電圧を利用しているので、電気的な反発力が、第１工程で形成された隙間を拡大する方向に付勢して、付着物を放電電極１１の表面から弾き飛ばすように脱落させる。言い換えれば、コロナ放電に伴って逆極性に帯電して放電電極１１に付着した付着物を、同極性に帯電させて放電電極１１から追い出すことができる。付着物や不純物が脱落した放電電極１１の表面は、当初の電子放出能力や表面抵抗を回復して、放電均一性や放電効率が高まる。

第１実施形態では、第２工程は、放電電極１１に高電圧を印加して前記付着物を前記放電電極１１から脱落させる工程であって、第１工程と第２工程とを同時に行う。放電電極１１の伸縮と高電圧の印加とを同時並行的に行うので、付着物に形成された隙間や損傷が回復する前に、間髪を入れずに高電圧によって一気に脱落させ得る。

第１実施形態では、高電圧を印加した状態で放電電極１１を繰り返し伸縮させることが望ましい。高電圧を印加した状態で繰り返しの伸縮を行うことにより、付着物の組織を疲労させて隙間や損傷を効率的に発生させ得ることは、第３実施形態で説明したとおりである。

第１実施形態では、放電電極１１の長さの伸縮による変化率は、０．１％以上１０％以下である。図６に示すように、０．５％以上３％以下がさらに望ましいことが実験により確認されている。数値限定の下限は、実験によって十分な清掃効果が確認された範囲であり、上限は耐用寿命を通じた繰り返しの伸縮回数で疲労破壊に至らない範囲である。２％は、それ以上では放電生成物の清掃効果に大差が無いため、疲労耐久と伸縮ストロークの小さな機構の採用という観点からさらに好適である。

第１実施形態のコロナ放電装置１０は、放電電極１１が張設されたものである。放電電極１１を張設方向に伸縮させて放電電極１１の付着物を脱落容易にする伸縮手段を備えている。

コロナ放電装置１０は、本発明の電極清掃方法を行う際に、電極伸縮アクチュエータ１８を作動させることにより第１工程を実行可能である。電極伸縮アクチュエータ１８は、放電電極１１を伸縮させることにより、弾性定数、剛性差、ひずみ量差によって放電電極１１の表面と付着物との間に隙間を形成したり、付着物の組織に損傷を与えたりする。隙間や損傷は、付着物の分離を容易にするだけでなく、第２工程に高電圧を利用した場合には、電気的な反発力によって拡張されて付着物を放電電極１１から分離脱落させることも可能にする。

第１実施形態のコロナ放電装置１０における放電電極１１は、常温で外部応力により構造相転移を伴う可逆変形を発生する超弾性材料で形成された細線である。伸縮手段は、放電電極１１の少なくとも一端側を張設方向に移動させて放電電極１１を伸縮方向に変形させる電極伸縮アクチュエータ１８である。

第２実施形態のコロナ放電装置３０における放電電極１１は、変態温度以上に加熱することにより構造相転移を伴う伸縮を発生する形状記憶材料で形成された細線である。伸縮手段は、放電電極１１に電流を通じて前記変態温度以上に加熱する通電電源３３である。

第１実施形態のコロナ放電装置１０は、放電電極１１に沿って配置されて前記放電電極１１から絶縁されたシールド電極１２と、放電電極１１とシールド電極との間に前記高電圧を印加する放電バイアス電源２１と、放電バイアス電源２１によって前記高電圧を印加した状態で、電極伸縮アクチュエータ１８を作動させて放電電極１１を伸縮させる制御装置２０とを備える。

第１実施形態のコロナ放電装置１０における清掃用の高電圧電源は、放電電極１１に放電電圧を印加してコロナ放電を発生させる放電バイアス電源２１を兼ねる。制御装置２０は、放電バイアス電源２１の出力状態を検知して放電電極１１の清掃開始時期を判断する。

第２実施形態のコロナ放電装置３０は、放電電極１１に沿って移動して放電電極１１を摺擦するクリーニング部材４１と、通電電源３３によって放電電極１１を伸縮させた後に、通電電源３３により放電電極１１を拭き取り清掃する制御装置２０とを備える。

画像形成装置１００の転写帯電装置は、コロナ放電装置１０を備え、放電電極１１に対向して放電電極１１と交差する方向に移動する記録材Ｐを帯電させる。

画像形成装置１００は、静電潜像が形成される感光体ドラム１を一次帯電する一次帯電手段と、一次帯電させた感光体ドラム１に静電潜像を形成した後にトナー像に現像させる現像装置３と、形成された前記トナー像を記録材Ｐに転写させる転写帯電手段とを備える。一次帯電手段と転写帯電手段との少なくとも一方をコロナ放電装置１０としている。

分離帯電装置を搭載した画像形成装置の構成の説明図である。 分離帯電装置としてのコロナ放電装置の構成の説明図である。 コロナ放電装置の伸縮駆動機構の説明図である。 伸縮率と放電電流密度分布との関係の線図である。 図４の部分的な拡大図である。 伸縮率と放電むらの関係の線図である。 第２実施形態のコロナ放電装置の構成の説明図である。 第４実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。

符号の説明

１、５１ 像担持体（感光体ドラム）
２、５０ 一次帯電装置
３、５３ トナー像形成手段（現像装置）
６、５６ クリーニング装置
７、５７ トナー像形成手段（露光装置）
９ 定着装置
１０、３０ コロナ放電装置
１１、３１ 放電電極
１２ シールド電極
１３、１６ 電極端部ピン
１４、１５ 電極張架部材
１８、３３ 伸縮手段（電極伸縮アクチュエータ、通電電源）
２０ 制御手段（制御装置）
２１ 高電圧電源（放電バイアス電源）
４１ 摺擦機構（クリーニング部材）
５０ コロナ放電装置（一次帯電装置）
５８ 前露光装置
１００、２００ 画像形成装置

Claims (12)

1. 放電電極が張設されたコロナ放電装置における電極清掃方法において、
   前記放電電極を伸縮させて前記放電電極の付着物を脱落容易にする第１工程と、
   脱落容易となった付着物を前記放電電極の表面から脱落させる第２工程と、を備えたことを特徴とする電極清掃方法。
2. 前記第２工程は、前記放電電極に高電圧を印加して前記付着物を前記放電電極から脱落させる工程であって、
   前記第１工程と前記第２工程とを同時に行うことを特徴とする請求項１記載の電極清掃方法。
3. 前記高電圧を印加した状態で前記放電電極を繰り返し伸縮させることを特徴とする請求項２記載の電極清掃方法。
4. 前記放電電極の長さの伸縮による変化率は、０．１％以上１０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の電極清掃方法。
5. 放電電極が張設されたコロナ放電装置において、
   前記放電電極を張設方向に伸縮させて前記放電電極の付着物を脱落容易にする伸縮手段を備えたことを特徴とするコロナ放電装置。
6. 前記放電電極は、常温で外部応力により構造相転移を伴う可逆変形を発生する超弾性材料で形成された細線であって、
   前記伸縮手段は、前記放電電極の少なくとも一端側を張設方向に移動させて前記放電電極を伸縮方向に変形させる駆動機構であることを特徴とする請求項５記載のコロナ放電装置。
7. 前記放電電極は、変態温度以上に加熱することにより構造相転移を伴う伸縮を発生する形状記憶材料で形成された細線であって、
   前記伸縮手段は、前記放電電極に電流を通じて前記変態温度以上に加熱する通電電源であることを特徴とする請求項５記載のコロナ放電装置。
8. 前記放電電極に沿って配置されて前記放電電極から絶縁されたシールド電極と、
   前記放電電極と前記シールド電極との間に高電圧を印加する高電圧電源と、
   前記高電圧電源によって前記高電圧を印加した状態で、前記伸縮手段を作動させて前記放電電極を伸縮させる制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項６または７記載のコロナ放電装置。
9. 前記高電圧電源は、前記放電電極に放電電圧を印加してコロナ放電を発生させる放電電源を兼ね、
   前記制御手段は、前記放電電源の出力状態を検知して前記放電電極の清掃開始時期を判断することを特徴とする請求項８記載のコロナ放電装置。
10. 前記放電電極に沿って移動して前記放電電極を摺擦する摺擦機構と、
    前記伸縮手段によって前記放電電極を伸縮させた後に、前記摺擦機構により前記放電電極を拭き取り清掃する制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項６または７記載のコロナ放電装置。
11. 請求項５乃至１０いずれか１項記載のコロナ放電装置を備え、
    前記放電電極に対向して前記放電電極と交差する方向に移動する帯電対象物を帯電させることを特徴とする帯電装置。
12. 静電潜像が形成される像担持体を一次帯電する一次帯電手段と、
    一次帯電させた前記像担持体に前記静電潜像を形成した後にトナー像に現像させるトナー像形成手段と、
    形成された前記トナー像を転写媒体に転写させる転写帯電手段と、を備え、
    前記一次帯電手段と前記転写帯電手段との少なくとも一方を請求項１１記載の帯電装置としたことを特徴とする画像形成装置。
    

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