JP2009300860A - クリーニング装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トナー以外の異物の存在や多層の残トナーが存在していても残トナーに対する極性制御を確実に行えるようにしてクリーニング部材によるクリーニング効率を高めることができる構成を備えたクリーニング装置を提供する。
【解決手段】転写後の像担持体５Ａ上に残存するトナーを除去するために用いられるクリーニング装置２０であって、前記像担持体５Ａ上の残トナーに有する極性を揃える極性制御部材２３と、該極性制御部材２３により制御された極性の残トナーを清掃する部材２５と、該清掃部材２５に転移した残トナーを回収する部材２４と、該回収する部材２４から残トナーを除去するブレード２６とを備え、前記像担持体５Ａの移動方向における極性制御部材２３の上流側には該像担持体５Ａ上の残トナーを掃き取りおよび電荷注入が可能なブラシローラ２１が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、クリーニング装置および画像形成装置に関し、さらに詳しくは、重合トナーなどの真球化されたトナーを対象としたクリーニング構造に関する。

周知のように、複写機やプリンタあるいは印刷機などの画像形成装置においては、潜像担持体である感光体に対して帯電工程により一様帯電が行われると、画像情報などに基づく光書き込み処理によって静電潜像が形成される。

感光体上の静電潜像は、現像装置から供給されるトナーにより可視像処理された後、転写手段を用いて紙などの記録媒体あるいは中間転写体に転写される。記録媒体への転写は主にモノクロ画像形成時に行われ、中間転写体への転写はフルカラー画像などの多色画像を形成する場合に行われる。多色画像形成時には、中間転写体に各色の画像を順次転写して重畳画像を記録媒体に対して一括転写する場合と中間転写体としてベルトが用いられた場合にはベルト状に記録媒体を吸着保持した状態で各色の画像形成ステーションを移動させる過程で各色の画像を重畳転写する場合とがある。いずれの場合にも、最終複写出力としては記録媒体に転写されたトナー像ということになる。

像担持体には前述した感光体だけでなく、各色の画像形成ステーションにおいて形成された画像を転写される中間転写体も含まれている。

中間転写体に各色の画像を順次転写する場合で説明すると、中間転写体は、重畳画像を記録媒体に一括転写した後、未転写トナーなどが含まれる残存トナーをクリーニングされる。クリーニングの目的は、残存トナーの存在が、次に転写を受ける記録媒体に対してそのトナーを転写して地肌汚れを招く原因となるのを防ぐためである。

そこで、従来では、クリーニング処理に用いられる構成として、ブレードクリーニング方式を用いたものがよく知られている。

ブレードクリーニング方式は、クリーニング対象に対してブレードを当接させて移動してくる残存トナーを堰き止めることでクリーニング対象からトナーを掻き取ることができる。

ところで、近年では、高解像度の高画質が要求されてきていることから、使用されるトナーに関しても、それまで使用されていた粉砕法によるトナーに代えて粒径を小さく揃えることができることおよび真球化が可能な重合法によるトナーが用いられるようになってきている。

重合法によるトナーは、球形化することで転写効率が向上し、転写残トナーとして廃棄される量が少なくなるという利点があるために多用される傾向にある。以下にその理由について説明する。

トナーは現像工程で現像バイアスを印加された状態で感光体などの像担持体上に担持されている静電潜像に供給される。
そのときの像担持体上での潜像電位および現像バイアスによって像担持体に付着すると像担持体表面に作用する主な力として、鏡映力とファンデルワールス力がある。鏡映力は電荷量とその距離に大きく依存する。

従来の粉砕法によって生成された粉砕トナーはその表面に凹凸があり摩擦帯電により、凸部が集中的に帯電される。これに対して重合法によって生成された重合トナーはその表面が球形又は球形に近い形状を有するため表面が均一に帯電される。そして粉砕トナーにおいては、凸部で接触し非常に近接した領域に多くの電荷が存在するために、鏡映力が増大する。一方、重合トナーのよう球形をしていると、接触状態はほとんど点状になり、且つ近接領域の電荷量も少なく、粉砕トナーに比べて鏡映力が小さくなる。

粉砕トナーを用いた場合には、多くのトナーの中には上記のような凸部で接触するトナーが多数存在し、この場合にはファンデルワールス力は非常に大きくなる。これに対して、重合トナーは表面形状が球状であるためトナーはほとんど点で接触する。よって、ファンデルワールス力は重合トナーの方が小さくなる。

このように、接触力の観点から、球形に近い重合トナーの場合、感光体に対する鏡映力、ファンデルワールス力、つまり付着力が小さくなり転写の際の転写残トナーが少なくトナー消費量を少なくできて経済的に有利である。

しかし、転写残トナーをクリーニングする場合には、小粒径化されて真球化されている重合トナーがブレードと像担持体表面との間をすり抜けやすくなる。このため、ブレードを用いてこの重合法で製造される小径且つ球形のトナーをクリーニングするには、ブレードを強い力で像担持体上に押し付けて堰き止めること必要となる。強い力で押し付けることは、ブレードや像担持体表面層の磨耗が加速される。更に強い力でブレードを押し付けるため、像担持体を駆動するためのモータトルクも大きくしなくてはならないなどの欠点がある。

そこで、像担持体へのダメージ低減と小径でかつ円形度の高いトナーをクリーニングする方式として、静電気力でトナーを吸着させる静電ブラシローラを用いた方式が検討されている（例えば、特許文献１〜４）。

特許文献１には、像担持体の移動方向に沿って２つのブラシローラを接触させ、それぞれのブラシローラには異なる極性のバイアス電圧を印加して像担持体上の残トナーの極性を均して（揃えて）回収する構成が開示されている。

特許文献２には、特許文献１と同様に、２つのブラシローラを設け、各ブラシローラでの植毛密度を異ならせることによって掻き取り効率を互いに補完する構成が開示されている。

特許文献３には、中間転写ベルトなどの像担持体が画像形成処理部に装備されているクリーニング装置に至る前に像担持体上に残存するトナーと逆極性のバイアス印加する帯電ローラを用いた帯電手段を軽く当接させる構成が開示されている。

特許文献４には、残トナーが表面に存在する像担持体の移動方向において上流側にトナーと同極性のバイアス印加が可能なスクレーパなどを用いた帯電部材を像担持体に接触させて配置し、下流側には帯電部材と逆極性のバイアス印加が行われているブラシを像担持体に接触させて帯電部材による残トナーの掻き取りと残トナーの極性揃えを行い、次いでブラシにより帯電部材で掻き取られなかったところの、極性が揃っている状態の残トナーを対象としてその極性と逆極性を印加してブラシにより掻き取るようにした構成が開示されている。

特開２００７−１２１５６８号公報 実開昭６４−３６８６７号公報 特許第５２４４４３号 特許第３９００２８３号

これまでの静電ブラシクリーニング装置は転写後の残トナーが電荷を持っているため、その電荷を持つ特性を利用して、ブラシに反対の極性を印加してブラシで吸着除去させていたが、残トナーの電荷は放電によって、正／負の極性のいずれも有する場合が多い。一般的には転写する時のバイアス電圧は正であるため、現像後の負極性トナーが吸着転写され、転写されなかったトナーは後工程に向けてすり抜けていく。

前述したように、転写電圧によって転写媒体間で放電が生じて片側極性だけにならないで正負両者が混在するのが現実である。そこで、上記特許文献１，４にあるように、ブラシなどのバイアス電圧手段によって正／負極の電圧を印加する構成としていた。

また、他の方式として極性制御部材によって片側に極性を揃えて、揃えた極性と反対の電圧を清掃部材に印加して吸着する方式もこれまでにあった。この極性制御部材としてはトナーと接触しないで極性を変える方法と、接触させて変える方法とがある。
非接触方式としてはコロナ等のイオン照射でトナー外周にイオン付着させるものである。この方式は高電圧放電によってイオン以外の環境汚染や人体に有害なオゾンが生じるなどの欠点がある。
接触方式は、上記特許文献３に開示されているように、放電させないで摩擦帯電、電荷注入などの作用によって電荷制御する。具体的には導電性ブラシ、導電性ブレードなどと接触させて行なう。

しかし、ブラシの場合はトナーがブラシ間に付着し、ブラシと極性揃えのためのバイアスを受ける側との間での放電部分がトナーによって遮断されることが原因して、時間と共に制御能力が低下する。ブレードを使用する場合は像担持体との接触圧によって像担持体とブレード自身の摩耗劣化が生じて耐久性に課題がある。

一方、中間転写体のクリーニング時には、感光体とは異なるいくつかの課題がる。
一つには中間転写体は紙と接触するため、紙から発生する紙粉がブレードに挟みこまれ、その箇所はブレートと接触せずにすり抜けて極性制御ができなくなる。中間転写体は樹脂や弾性体をベルト状にしているため、ブレードに大きな負荷をかけるとベルトを駆動するモータも大きくなるが、ベルト自身の動きが滑らかにならず、このことが画像形成処理部間でベルトの移動速度が変化させてしまうことになり、転写位置ずれによる色ずれの原因となる。

また、クリーニング前帯電を用いない特許文献２に開示された方式では、単に植毛密度の違いにより残トナーの捕らえ方を異ならせるだけであるので、上述したような帯電極性を有するトナーの全てを回収することは困難といえる。

本発明の目的は、上記従来のクリーニング装置における問題、特に小粒径、真球化されたトナーを対象とするクリーニング装置における問題に鑑み、トナー以外の異物の存在や、転写対象とならない画像のように大量の残トナーが存在していても、残トナーに対する極性制御を確実に行えるようにしてクリーニング部材によるクリーニング効率を高めることができる構成を備えたクリーニング装置および画像形成装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は次の構成よりなる。
（１）転写後の像担持体上に残存するトナーを除去するために用いられるクリーニング装置であって、
前記像担持体上の残トナーに有する極性を揃える極性制御部材と、該極性制御部材により制御された極性の残トナーを清掃する部材と、該清掃部材に転移した残トナーを回収する部材と、該回収する部材から残トナーを除去するブレードとを備え、
前記像担持体の移動方向における極性制御部材の上流側には該像担持体上の残トナーを掃き取りおよび電荷注入が可能なブラシローラが設けられていることを特徴とするクリーニング装置。
（２）前記ブラシローラは導電性を有し、バイアス印加手段に接続されていることを特徴とする（１）に記載のクリーニング装置。
（３）前記ブラシには導電糸が用いられ、該導電糸が、ブラシ表面に露出してトナーと接触する構成であることを特徴とする（２）に記載のクリーニング装置。
（４）前記ブラシローラと前記極性制御部材とに印加される電圧極性が同じとされ、該ブラシローラの印加電圧値が前記極性制御部材と同じもしくはそれよりも低い値に設定されることを特徴とする（１）に記載のクリーニング装置。
（５）前記清掃する部材にはブラシローラが用いられ、前記極性制御部材の上流側に位置するブラシローラとの間の電圧極性が逆の関係とされていることを特徴とする（１）に記載のクリーニング装置。
（６）前記清掃する部材に用いられるブラシローラのブラシ剛性が、前記極性制御部材の上流側に用いられるブラシローラのブラシ剛性よりも高剛性に設定されていることを特徴とする（１）に記載のクリーニング装置。
（７）前記極性制御部材の上流側に位置するブラシローラの植毛密度が、前記清掃部材に用いられるブラシローラの植毛密度よりも高密度に設定されていることを特徴とする（１）または（６）に記載のクリーニング装置。
（８）前記像担持体上の残トナーは、形状係数ＳＦ−１が１００〜１５０，トナー平均粒径が６μｍ以下の範囲のものが用いられることを特徴とする（１）に記載のクリーニング装置。
（９）（１）乃至（９）のいずれかに記載のクリーニング装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
（１０）前記クリーニング装置のクリーニング対象が中間転写体であることを特徴とする（９）に記載の画像形成装置。

本発明によれば、像担持体の移動方向において像担持体上の残トナーの極性を揃える極性制御部材の上流側にブラシローラを設けているので、残トナー以外の異物である紙粉などがブラシにより掃き取られる。しかも、掃き取り作用を利用できることで、像担持体上に形成されて転写が行われないパッチ画像などの大量の残トナーの少なくとも一部を除去することができる。

これにより、極性制御部材への残トナーの進入を防止して極性制御部材と像担持体上の残トナーとの接触が異物や堆積トナーによって阻害されないようにできることにより極性制御を良好に行えるようにすることができる。この結果、残トナーの極性を清掃部材によって除去しやすい状態に設定することが可能となる。

以下、図面により本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明によるクリーニング装置を用いる画像形成装置を示しており、同図に示されている画像形成装置は、像担持体の一つである中間転写体にベルトを用い、ベルトの展張方向に沿って異なる色の画像形成が可能な画像形成処理部（図１において、使用されるトナーの色を示すＹ，Ｃ，Ｍ．Ｋを付した感光体ドラムを備えた部分）を並置したタンデム方式の画像形成装置である。

各画像形成処理部は同じ構成であるので、今、符号Ｙで示す画像形成処理部を対象として説明すると次の通りである。

画像形成処理部は、それぞれユニット化されており、ユニットの内部には、像担持体の他の一つである感光体ドラム１が回転可能に設けられている。

感光体ドラム１の周囲には、画像形成処理を実行するための帯電装置２，露光装置（図１では、便宜上、書き込み光に符号３をつけてある），現像装置４，転写装置５，クリーニング装置６が配置されており、これら各装置のうちで、帯電装置２，現像装置４およびクリーニング装置６がユニット内に配置されてプロセスカートリッジを構成している。

転写装置５には、各画像形成処理部が並置されている展張面を有する中間転写ベルト５Ａと、中間転写ベルト５Ａを挟んで各感光体ドラムに対向する転写ローラ５Ｂとが備えられている。

一方、中間転写ベルト５Ａの一部には、重畳転写された画像を給紙装置７から繰り出されてレジストローラ８によりレジストタイミングを設定されて搬送されてくる記録紙などの記録媒体に一括転写する２次転写装置９が設けられている。２次転写装置９による２次転写位置から記録媒体が搬送される位置には加熱ローラおよび加圧ローラとで記録媒体上のトナー像を定着する熱ローラ定着方式を用いた定着装置１０が配置されている。

感光体ドラム１は、アルミニウムなどの導電性基体の表面に例えば勇気半導体の薄膜が形成されており、また、帯電装置２は、感光体ドラム１の表面に近接もしくは当接可能なバイアスローラが用いられている。

現像装置４には、重合トナーが用いられ、重合トナーは、球場物質の「丸さ」の割合を示す形状係数ＳＦ−１が１００〜１５０，そして粒径が６μｍ以下のものが用いられている。

ここで形状係数ＳＦ−１について説明すると次の通りである。

トナーの形状係数ＳＦ−１は、上述したとおり、球状物質形状の「丸さ」の割合を示す数値であり、図２に示すように、球状物質を二次元平面状に投影して出来る楕円状図形の最大長さＭＸＬＮＧの二乗を図形面積ＡＲＥＡで割って、１００π／４を乗じた値で表される。
つまり次式、によって定義されるものである。

ＳＦ−１＝｛（ＭＸＬＮＧ）^２ ／ＡＲＥＡ｝×（１００π／４）
ＳＦ−１の値が１００の場合、トナー形状は真球となり、ＳＦ−１の値が大きくなるほど不定形となる。一般的にトナーの形状が球形に近くなるとトナーとトナーあるいはトナーと像担持体との接触状態が点接触になるため、トナー同士の吸着力は弱くなって流動性が高くなる。また、トナーと像担持体との吸着力も弱くなって転写率は高くなる。

本実施形態で使用したトナーは、有機溶媒中にウレア結合しうる変性されたポリエステル系樹脂を含む結着樹脂、着色剤を含有したトナー組成物を溶解或いは分散させ、水溶媒体中で粒子化するとともに重付加反応させ、この分散液の溶媒を除去、洗浄、乾燥して得られたトナーを用いている。

球形トナーを得る製造方法として、先述の製造方法以外に公知の乳化重合法、懸濁重合法、分散重合法等の重合法を用いてもよいし、従来の粉砕法のトナーを熱溶融しても得ることができる。

以上のような構成の画像形成装置においては、画像形成処理部において帯電装置２により感光体ドラム１の表面が均一に帯電されると、露光装置３を用いた画像情報に応じた書き込み光により感光体ドラム１上に静電潜像が形成される。

静電潜像は、現像装置４から供給されるトナーにより可視像処理されるが、本実施形態では−に帯電したトナーを用いた反転現像が行われる。

感光体ドラム１において可視像化されたトナー像は、転写装置５において感光体ドラム１と等速で移動する中間転写ベルト５Ａに対して転写ローラ５Ｂによる転写バイアス作用により転写される。

画像形成処理部において形成されたトナー像が中間転写ベルト５Ａに対して順次転写されると重畳された画像が給紙装置８から繰り出された記録媒体に対して２次転写装置９を用いて一括転写され、記録媒体が定着装置１０に搬送されてトナー像が定着される。

一方、２次転写位置を通過した中間転写ベルト５Ｂは、クリーニング装置（便宜上、符号２０で示す）により残トナーを含む異物の清掃が行われるようになっている。

図３は、クリーニング装置２０の構成を示す図であり、同図においてクリーニング装置２０は、中間転写ベルト５Ａが捲装されているローラの一つ（便宜上、符号５Ｃで示す）の周面に対向して中間転写ベルト５Ａの移動方向に沿ってブラシローラ２１，トナーの極性を揃えるための極性制御を行うブレードを用いた極性制御部材２３，清掃部材２５がそれぞれ設けられている。清掃部材２５にはブラシローラが用いられており、以下に、ブラシローラ２１を１次ブラシローラ２１とし、清掃部材に用いられるブラシローラを２次ブラシローラ２５と称して説明する。

図３に示す構成においては、像担持体の一つである中間転写ベルト５Ａの移動方向（図３中、矢印で示す方向）において極性制御を行う極性制御部材２３の上流側に１次ブラシローラ２１を配置したことを特徴としている。

なお、図３において符号２２は、先端が１次ブラシローラ２１に接触するフリッカー部材であり、符号２４は、２次ブラシローラ２５に接触してトナーを回収するトナー回収ローラであり、符号２６は、トナー回収ローラに先端を接触させた回収ブレードであり、さらに、符号２７は、重合トナーを対象とした転写効率向上のための潤滑剤を供給する潤滑剤供給装置であり、符号２８は、回収されたトナーを現像装置あるいは廃棄タンクに向け搬送する搬送スクリューをそれぞれ示している。

以下に中間転写ベルト５Ａおよびこれのクリーニングに係る部材の詳細について説明する。

像担持体の一つである中間転写ベルト５Ａは、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレンなど合成樹脂又は各種のゴムにカーボンブラックなどの導電材を適当量含有させたものが用いられ、その体積抵抗率は１０Ｅ４〜１０Ｅ９Ω・ｃｍに設定されている。

ここで弾性を有する中間転写ベルト５Ａとしては、導電性弾性層の主基材として、シリコーンゴム、ＮＢＲ、ＣＲ、ＥＰＤＭ、ウレタンゴムなどが用いられ、導電性保護層の材料は、摩擦係数の低減、電気特性の環境に対する安定性、表面粗さ低減による残留トナークリーニング性能の向上といった目的を達成できるものであれば、特に限定されないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルの共重合体（ＰＦＡ）、ＰＶＤＦなどのフッ素樹脂系ポリマーをアルコール可溶性ナイロン系、シリコン系、シランカプラー、ウレタン樹脂系のエマルジョンや有機溶媒に溶解・分散した塗料を使用することができる。

これら保護層は、上記の塗料をデイップコート、スプレーコート、静電塗装、ロールコートなどにより設けることができる。更に、保護層に表面処理または研磨を施すことにより離型性、導電性、耐磨耗性、表面クリーニング性などを改善することができる。

１次ブラシローラ２１は、中間転写ベルト５Ａ上に存在するトナー以外の異物である紙粉を掃き取る機能に加えて大量の堆積トナーの一部を掃き取る機能そして極性制御部材２２と同様にトナーに対する電荷注入機能を備えている。このような機能を持たせる理由は次の通りである。

中間転写ベルト５Ａの表面には、残トナーだけでなく、記録媒体として用いられる記録紙との接触時に記録紙から転移した紙粉が付着していることがある。紙粉は数十ミクロンから数百ミクロンの繊維状のものであり、これがブレードを用いたクリーニングの際にはブレード先端と中間転写ベルト５Ａの表面との間をすり抜けてしまうことがある。そこで、ブラシによりこのような紙粉を掃き取ることで確実に除去できることになる。

一方、中間転写ベルト５Ａには、トナー像とは別に、画像濃度制御を目的として各色のテストパターンとしてのパッチ画像を形成する場合がある。パッチ画像は正規の画像形成処理時と違って転写されることなくパッチ画像の濃度検知が終わると中間転写ベルト５Ａから除去されるものである。このため、クリーニング装置２０に達した際には、極性制御部材２２によって堰き止められる量が多く、極性制御部材２２として用いられるブレードに接触する量も多くなることから均一な電荷注入が行えなくなる虞がある。そこで、１次ブラシローラ２１により堆積しているトナーの一部だけでも掃き取ることによって、極性制御部材２２に接触するトナーの量を低減させて掻き取り効率を高める一方、掻き取れなかったトナーに対して極性制御部材２２において実行されると同じ極性のバイアス電圧を印加することで残トナーに対する極性の均し作用を向上させるようになっている。このため、１次ブラシローラ２１には、後述する極性制御部材２２と同じ極性のバイアス電圧の印加する電源１００が接続されている。

ブラシの材質としては、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ビニロン、アラミドが用いられ、導電糸は表面に露出して、トナーと接触し、電荷が注入しやすい構成とされている。ブラシの抵抗は、１０Ｅ４〜１０Ｅ９Ωが好適で、抵抗が小さいとトナーに電荷が注入し易くなる。これにより、導電糸がブラシ表面に露出してトナーと接触するだけで放電電圧まで上げることなく露出した導電糸とトナーとが接触するだけで電荷注入が行えることになる。

このような１次ブラシローラ２１の構成は、電荷注入が行えることで後述する極性制御部材２３での極性制御の負担を軽減することができる。特に極性制御に際しての残トナーと極性制御部材２３との接触度合いを高めることができるので、極性制御部材２３と残トナーとの接触頻度を高めるために極性制御部材２３を中間転写ベルト５Ａに対して強く押しつける必要もなくなり、極性制御部材２３および中間転写ベルト５Ａでの摩耗損傷などを低減することができる。

極性制御部材２２は、転写後の残トナーが有する極性を揃えるために用いられる部材であり、１次ブラシローラ２１と同様な極性のバイアス電圧を印加する電源１０１が接続されている。電源１０１から印加されるバイアス電圧値は、後述する極性制御部材２３でのバイアス電圧値と同じかまたはそれ以下に設定されるようになっている。これにより、放電を生じることなく残トナーへの電荷注入が行える。

極性制御部材２２を用いる理由は次の通りである。

転写後のトナーは、正、負の極性が混在しているので、極性制御部材２２からのバイアス電圧の極性に応じて、電荷注入または放電のいずれかの現象でトナーの極性を転換させて一様極性に均すことが必要である。

極性制御部材２２の他の重要な機能として、トナーの２次ブラシローラ２５への入力量（トナーがブラシローラに接触する量）を規制する働きをもつ。これは２次ブラシローラ２５へのトナーの入力量が多いと、ブラシでクリーニングしきれないという不具合が生じる。ブラシはローラと異なり全表面が像担持体と接触せず、ブラシ繊維が植毛されている箇所のトナーがブラシ繊維と接触することで静電吸引力によってブラシに付着して像担持体はクリーニングされる。前述したようにブレードでは球形で且つ小径のトナーをクリーニングするためには限界があって、長期安定したクリーニングをするためには、像担持体への押し付け力を従来比に比べ５倍以上の力を加えないとできなかった。このように大きな力を加えると、像担持体、ブレード共に損傷して耐久性を損なってきた。しかし，完璧なクリーニングをしないでブラシで最終的なクリーニング機能を負わせる程度に像担持体上のトナーを減少させるにはそれほど大きな力を加える必要は無い。ブレードはブラシによるクリーニング能力が追従可能な量に規制する必要がある。 このため、ブレードに要求される機能としては、トナーへの電荷注入機能と余剰トナーのふるい落とし機能が挙げられる。ここで像担持体の表面を傷つけないで全面に接触するための材質はポリウレタン、シリコン、フッ素ゴムなど弾性体が好適である。耐久性をもち、環境変動にも耐えられるブレードの要求物性は、硬度ＨＳ（ＪＩＳＡ）６５〜８０度、２３℃反発弾性係数１５〜６０％、ヤング率５０〜２００ｋｇ／ｃｍ^２、１００％モジュラス６０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲が好適である。

電荷注入特性としては放電しないで注入効率を上げるために、体積抵抗率１０Ｅ３〜１０Ｅ８Ωｃｍのものを用いることが好ましく、導電物質とカーボン、イオン、または両者のハイブリット型で所望の抵抗領域が得られる。ここでブレードへの印加電圧は−５００〜−１２００Ｖが好適である。低すぎると注入効率が悪く、高すぎると像担持体の表面電位も過剰に負極性となってトナーと像担持体との付着力が強くなる等の不具合が生じる。

２次ブラシローラ２５は、アクリル、ＰＥＴ、ポリエステルなどに導電材を混入させた導電性ブラシが用いられる。

導電材の構造はブラシ表面に単に分散させたものでなく、内部に装入して表面に露出されない芯鞘構造で無ければならない。これは、表面に導電材が露出していると、残トナーに電荷を注入してブラシ表面の電位（図５において符号Ｖｂで示す）が維持できなくなることが理由である。

ブラシの抵抗は、１０Ｅ４〜１０Ｅ９Ωが好適で、抵抗が小さいとトナーに電荷を注入し易く、また逆に抵抗が大きいと電界強度が小さくなってしまい、高電圧を印加しないとトナーを吸引するための電界が確保できなくなることが理由である。

さらに、トナーとの接触確率を上げるために植毛密度も重要な因子であって、７万本／ｉｎｃｈ^２以上で好ましくは１０万本／ｉｎｃｈ^２以上必要であり、しかも、１次ブラシローラ２１よりも植毛密度においては高い密度とされている。

これにより、１次ブラシローラ２１で除去される紙粉が十数μｍ〜数十μｍであるのに対し、残トナーは２〜７μｍであるので、この大きさに対応したブラシ密度を設定することで各ブラシローラ間での除去効率を高めることができる。

接触確率を上げるためには、像担持体に対してカウンター方向回転で、線速比は０．７以上にすることで好ましい接触状態となる。他の重要な因子としてはブラシの倒れがある。一般にブラシは直毛といわれているが、直毛状態であるとブラシの導電材が露出している先端部とトナーが接触しやすい状態にある。そのため、ブラシの倒れは斜毛やブラッシング処理をすることで、像担持体の回転によってブラシが食い込まない方向に倒して、直接トナーと導電材が接触しない構造にすることが望ましい。

２次ブラシローラ２５には、極性制御部材２２によって極性が揃えられた残トナーの静電吸着が可能なバイアス電圧を印加するための電源１０２が接続されている。これにより、極性制御部材２３により一様極性に揃えられた残トナーをその極性と逆極性の静電力によって吸着回収しやすくすることができる。

トナー回収ローラ２４は、２次ブラシローラ２５により中間転写ベルト５Ａの表面から掃き取られた残トナーを回収する部材であり、２次ブラシローラ２５のブラシに接触することでローラ同士の表面電位が低下するのを防ぐために２次ブラシローラ２５に対するバイアス電圧以上の電圧を印加する電源１０３に接続されている。

トナー回収ローラ２４は、金属材料を芯金として、樹脂材にインサートして一体成型された絶縁性ローラが用いられている。このローラの構成としては、ＰＥＴ、ＰＶＤＦ、ＰＦＡ、共重合ナイロンをチューブ状にして芯金に被せても容易に絶縁性の回収ローラとすることも可能である。

他の工法としては芯金としてアルミニウムを用いてアルマイト処理、フッ素樹脂硬質アルマイト処理をしても絶縁性の金属表面が得られる。金属材料表面にセラミックなどの無機材、ＰＴＦＥ，ポリイミド、ポリカなどの有機材をコートしても容易に絶縁性の回収ローラ材が得られる。このような絶縁性の金属表面とする理由は図４を用いて後で説明する。

トナー回収ローラ２５の表層部での厚さは、１ｍｍ以下が好ましく、望ましくは０．５ｍｍ以下に設定されている。これにより、表層厚さが厚い場合、環境変動の際に芯金との膨張係数の差や、吸湿による径変化によって、絶縁層にクラックや境界剥離が生じるのを防止するようになっている。

回収ブレード２６は、トナー回収ローラ２４に対するフリッカーとしての機能と、トナー回収ローラ２４での表面電位の低下を補うための電荷注入機能とを持ち合わせた部材である。

後者の理由については図６を用いて後で説明する。

回収ブレード２６は、上述した両機能を発揮するために、ポリウレタン、シリコン、ニトリルゴムなどのエラストマー材であってトナー回収ローラ２４との密着性が確保される必要を満足するように構成されている。かつ、トナー回収ローラ２４への電荷付与を確実にするためにブレード自身の体積抵抗は少なくとも、１０Ｅ１２Ωｃｍ以下であることが必要とされている。

導電性を得るためにエラストマー材にカーボン、金属フィラー、イオン導電性剤などを添加することで導電性が得られるようになっている。

上述したクリーニング装置の構成におけるクリーニングは、残トナーに対する静電クリーニングであり、ここで、図４および図５を用いて静電クリーニングについて説明するとともに、この静電クリーニングの説明に併せて前述した２次ブラシローラ２５とトナー回収ローラ２４との間でのバイアス電位の設定理由およびトナー回収ローラ２４と回収ブレード２６との間でのバイアス電位の設定理由について説明する。

図４において、転写バイアスを用いた転写工程では、例えば負の極性を持つ現像後のトナーに生の転写バイアス電圧を印加することで本来ならば全てのトナーが記録紙などの記録媒体もしくは中間転写ベルトなどに転写されることになる。 しかし、転写バイアスが印加される箇所では、狭いギャップ間での電界形成であることが原因となって、剥離放電が生じ、転写後の残トナー（図４中、符号Ｑ０で示す）には、正負両方の極性が混在している。

そこで、極性制御部材２３を用いて両極性が混在しているトナー（図４中の符号Ｑ０はトナーの電荷量を示す）を正または負のいずれかの極性に揃えてトナーの極性を均す。

次いで、２次ブラシローラ２５において像担持体の一つとして例に挙げる中間転写ベルト５Ａに付着している静電力よりも大きい静電力を２次ブラシローラ２５に付与することでブラシ側に残トナー（図４中の符号Ｑ１はトナーの電荷量を示す）を転移させる。この工程が図４に示されている一次クリーニングである。

２次ブラシローラ２５に付着している残トナー（図４中の符号Ｑ２はトナーの電荷量を示す）は、トナー回収ローラ２４に印加されているバイアス設定によってトナー回収ローラ２４に静電的に転移する。この工程が図４に示されている二次クリーニングである。

トナー回収ローラ２４に転移した残トナー（図４中の符号Ｑ３はトナーの電荷量を示す）は、回収ブレード２６によって掻き取られることになる。この工程が図４に示されている三次クリーニングである。

以上のような各クリーニング工程で残トナーが転移するために設定される電位差は、図５に示すトナー移動モデル図に示すとおりである。つまり、中間転写ベルト５Ａなどの像担持体上での表面電位をＶ０ｐ、２次ブラシローラ２５での表面電位をＶｂ、トナー回収ローラ２６での表面電位をＶｒとした場合、それぞれのクリーニング工程に位置する部材間の電位差（Ｖｂ−Ｖ０ｐ）、（Ｖｒ−Ｖｂ）と残トナーの電荷量Ｑ０，Ｑ１およびＱ２の積により静電力が規定され、この静電力の不等関係により残トナーの転移が生じて三次クリーニングに至る。

以上は、転写後の残トナーの回収原理といえる内容であるが、クリーニング対象となる像担持体として中間転写ベルト５Ａを用いた場合には、上述したバイアス設定を行っても、十分なクリーニング効果が得られない場合がある。

つまり、中間転写ベルト５Ａは、先にも説明したが、記録紙などの記録媒体と接触する部材であるために、紙の繊維が相当する紙粉が付着している場合がある。このような紙粉は、極性制御部材２３の先端と中間転写ベルト５Ａの表面との間に挟み込まれてしまうと極性制御部材２３の先端を残トナーがすり抜け易くなり、しかも、残トナーに対して十分な極性の揃えが行えるに足る電荷注入が行えないという不具合が発生する。

そこで本実施形態では、像担持体５Ａの移動方向における極性制御部材２３の配置位置の上流側に１次ブラシローラ２１を配置し、ブラシローラ２１によって紙粉の掃き取りそして、パッチ画像などのように大量に残るトナーの一部掃き取りあるいは全ての掃き取りを行えるようになっている。

１次ブラシローラ２１は、残トナーの掃き取りだけではなく、前述したように、極性制御部材２３と同じ極性のバイアス電圧をされることにより、残トナーに対して極性制御部材２３による電荷注入の補完を行うようになっている。これにより、極性制御部材２３においては、残トナーの掻き取り負担の軽減と極性を揃える効率を高めることができる。

一方、トナー回収ローラ２４や２次ブラシローラ２５の表面電位は、ローラの軸に電圧印加しただけでは表面のブラシと残トナーとの接触などによって電位低下が起こる。電位が低下すると、トナーを転移させるに必要なだけの電位ポテンシャルが確保できなくなるため、トナーがブラシ内に蓄積されてブラシローラの周面を覆うロール化が発生する。これを防止するためには、２次ブラシローラ２５の表面電位として軸に印加する電圧よりもポテンシャルにおいて２００〜５００Ｖ程度の高い電圧を印加する必要がある。また、トナー回収ローラ２４においても同様に、軸に印加する電圧よりもポテンシャルにおいて４００〜８００Ｖ程度の高い電圧を印加する必要がある。

このように軸に印加する電圧以上の電圧をローラ表面に設定した場合には、ローラに接触するブレードによる劣化に加えて、印加される電圧による表面での放電劣化がダメージとして発生する。このようなダメージは、ローラ表面が粗くなる結果を招き、粗面となった表面での摩擦係数が低下して摩擦力も低下することでブレード先端からの残トナーのすり抜けが増加することになる。

図４において便宜上、符号Ｑ３’で示す残トナーが回収ブレード２６をすり抜けて、便宜上、符号Ｑ２’で示す残トナーが２次ブラシローラ２５に再付着し、２次ブラシローラ２５が接触している中間転写ベルト５Ａに転移した場合にはベルトの汚損を招いて記録媒体への地肌汚れなどを引き起こすことになる（図４において便宜上、符号Ｑ１’で示すトナーの付着）。

そこで、トナー回収ローラ２４は、電荷が逃げにくい絶縁性の材料が用いられ、表面荒さが良好に維持され、かつ、放電や摺擦による損傷が少ないことが条件とされ、上述した構成が用いられる。

トナー回収ローラ２４に接触する回収ブレード２６は、トナー回収ローラ２４に対する電荷注入機能を有しているがその理由は次の通りである。

残トナーを静電力によって２次ブラシローラ２５から転移付着させているトナー回収ローラ２４は、残トナーの付着により電荷の飽和が起こり、表面電位が低下する。

このため、２次ブラシローラ２５とトナー回収ローラ２４との間での電位差が小さくなるのをトナー回収ローラ２４への電荷注入によって補完するように回収ブレード２６が機能するようになっている。

トナー回収ローラ２４に対する表面電圧印加によってトナー回収ローラ表面での電位変化を図６に示す。

図６は、２次ブラシローラ２５への印加電圧を７００Ｖ，トナー回収ローラ２４への印加電圧を１０００Ｖとし、回収ブレード２６に対する印加電圧を、１０００Ｖ，１５００Ｖそして２０００Ｖと順次変更した場合のトナー回収ローラ２４および２次ブラシローラ２５での表面電位の時間変化を示している。

図６に示す結果から明らかように、印加電圧が低いと、時間とともにトナー回収ローラ２４での表面電位が２次ブラシローラ２５での表面電位に近づいてしまう。このような結果では、２次ブラシローラ２５とトナー回収ローラ２４との間の電位差が小さくなりすぎてしまい、トナーの転移ができなくなることがわかる。

このような理由により、回収ブレード２６には、上述したように、トナー回収ローラ２４での電圧低下を補完できる同極性の電圧印加が可能な電源１０４が接続されている。

以下に本発明の実施例について説明する。

本実施例におけるクリーニング装置の構成は、図３に示すとおりであり、各部材の特性は次の通りである。

１次ブラシローラ２１は材質として、ポリエステルＢＲ１が用いられ、毛の方向性は直毛、原糸比抵抗１０Ｅ５Ωｃｍ、太さ３２０Ｔ／４８、密度７０，０００±１０，０００本／ｉｎｃｈ^２で外径φ１３である。

ブラシ剛性指数は１６〜５９で３種類の剛性指数を有するもので実験を行なった。なお、剛性指数は東英産業（株）によって実験値と計算より求めた特有値で大きいと剛毛の方向になることを示す。また、バイアス印加電圧Ｖ１として、−３００〜−６００ＶのＤＣ電圧を設定している。

極性制御部材２３は、厚さ１．６〜２．４ｍｍを有するポリウレタンゴム製とし、自由長７ｍｍ、食い込み量０．５ｍｍ、体積抵抗１０Ｅ６Ω・ｃｍ、印加電圧Ｖ２として、−５００ＶのＤＣ電圧を設定している。

２次ブラシローラ２５は、材質として、ＰＥＴ、Ｂ−ＴＣＦが用いられ、毛の方向性は斜毛で回転方向に対して傾斜、原糸比抵抗１０Ｅ７Ωｃｍ、太さ３２０Ｔ／４８、密度１１５，２００±５８０本／ｉｎｃｈ^２で外径φ１４で構成されている。また、バイアス印加電圧Ｖ３として、＋３００ＶのＤＣ電圧が設定されている。

トナー回収ローラ２４は、芯金φ１４のステンレスや一般鉄鋼材（Ｓ４５Ｃ、ＳＵＭ２１）を用いて表面に厚さ０．１ｍｍのＰＶＤＦチューブを被覆し、表面にハイブリット型ハードコーテイング剤をデイッピングコートして構成されている。得られた皮膜厚さ１０μｍ、で鉛筆硬度８Ｈ、面粗さＲａ０．０３μｍである。また、印加電圧Ｖ４として、＋６００Ｖを設定し、回収ブレード２６は厚さ２〜２．８ｍｍのポリウレタンゴムを用い、自由長は７ｍｍ、食い込み量は１ｍｍ、体積抵抗は１０Ｅ８Ω・ｃｍとし、そして印加電圧Ｖ５として、＋１０００Ｖを印加する。

像担持体にとして用いられる中間転写ベルト５Ａの線速は２００ｍｍ／ｓ、夫々のブラシ線速も等速で、中間転写ベルト５Ａに対して同方向回転で即ち接触転ではカウンター方向の回転としている。

以上のような構成、特に、１次ブラシローラ２１に対するバイアス電圧の印加を用いてクリーニング不良が生じた場合、中間転写ベルト５Ａに残トナーが存在することによる記録媒体での地肌汚れの発生状態について実験した結果を表１に示す。

表１に示す結果は、５％標準画像を１００００枚印刷したときの画像品質、つまり、上述した記録媒体として用いられる記録紙の地肌汚れの発生状態である。

表１において、「×」は、紙上に縦スジや地肌が明らかに出現している状態を示し、「△」は、「×」レベルではないが僅かにみられる状態を示し、そして「○」は、全く初期と変わらない良好な状態を示す。

表１に示す結果から明らかように、１次ブラシローラ２１に対する印加電圧Ｖ１が印加されていないと地肌汚れが生じて全く不良であることが分かる。また，この実験の前に１次ブラシローラ２１が無い状態でクリーニング実験を行なったが、この時は明らかに筋状に抜けるクリーニング不良が早い段階で生じていた。ブラシ剛性は高く、かつ、印加電圧Ｖ１も高い方が良好な結果となった。

このことから１次ブラシローラ２１は、ブラシ剛性をある程度大きくすることで、紙粉やベルト上に付着した異物を除去してさらに印加電圧を加えると、これまで極性制御部材として用いられているブレード２３のみで行なってきた帯電制御効率を高めて、２次ブラシローラ２５に入力するトナーはほぼ極性が制御されるためにクリーニング性が良好となっていることが分かる。

本発明によるクリーニング装置を備えた画像形成装置の構成を説明するための模式図である。 図１に示した画像形成装置に用いられる現像装置で使用されるトナーの形状係数を説明するための模式図である。 本発明によるクリーニング装置の要部構成を説明するための模式図である。 静電クリーニングの原理を説明するための模式図である。 残トナーの転移に要すバイアス電圧の印加状況を説明するための線図である。 ２次ブラシローラ、トナー回収ローラ、回収ブレードに対する印加電圧を順次変更した場合に対する、トナー回収ローラおよび２次ブラシローラでの表面電位の時間変化を説明するための図である。

符号の説明

１ 像担持体の一つである感光体ドラム
２ 帯電装置
４ 現像装置
５ 転写装置
５Ａ 像担持体の他の一つである中間転写ベルト
２０ クリーニング装置
２１ １次ブラシローラ
２３ 極性制御部材
２４ トナー回収ローラ
２５ ２次ブラシローラ
２６ 回収ブレード
１００〜１０４ バイアス電圧印加用電源

Claims (10)

1. 転写後の像担持体上に残存するトナーを除去するために用いられるクリーニング装置であって、
   前記像担持体上の残トナーに有する極性を揃える極性制御部材と、該極性制御部材により制御された極性の残トナーを清掃する部材と、該清掃部材に転移した残トナーを回収する部材と、該回収する部材から残トナーを除去するブレードとを備え、
   前記像担持体の移動方向における極性制御部材の上流側には該像担持体上の残トナーを掃き取りおよび電荷注入が可能なブラシローラが設けられていることを特徴とするクリーニング装置。
2. 前記ブラシローラは導電性を有し、バイアス印加手段に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のクリーニング装置。
3. 前記ブラシには導電糸が用いられ、該導電糸が、ブラシ表面に露出してトナーと接触する構成であることを特徴とする請求項２に記載のクリーニング装置。
4. 前記ブラシローラと前記極性制御部材とに印加される電圧極性が同じとされ、該ブラシローラの印加電圧値が前記極性制御部材と同じもしくはそれよりも低い値に設定されることを特徴とする請求項１に記載のクリーニング装置。
5. 前記清掃する部材にはブラシローラが用いられ、前記極性制御部材の上流側に位置するブラシローラとの間の電圧極性が逆の関係とされていることを特徴とする請求項１に記載のクリーニング装置。
6. 前記清掃する部材に用いられるブラシローラのブラシ剛性が、前記極性制御部材の上流側に用いられるブラシローラのブラシ剛性よりも高剛性に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のクリーニング装置。
7. 前記極性制御部材の上流側に位置するブラシローラの植毛密度が、前記清掃部材に用いられるブラシローラの植毛密度よりも高密度に設定されていることを特徴とする請求項１または６に記載のクリーニング装置。
8. 前記像担持体上の残トナーは、形状係数ＳＦ−１が１００〜１５０，トナー平均粒径が６μｍ以下の範囲のものが用いられることを特徴とする請求項１に記載のクリーニング装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載のクリーニング装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
10. 前記クリーニング装置のクリーニング対象が中間転写体であることを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。

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