JP2018105375A - クラッチ装置及びプロセスカートリッジ並びに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でクラッチ離間時の衝撃音を抑制し、クラッチ係合時の係合不良を防ぐ。【解決手段】駆動側係合部材１１３は、係合方向に突出した駆動側クラッチ歯１１３ｃを有し、前記従動側係合部材１１４は、係合方向に突出し、前記駆動側クラッチ歯と係合、解除可能な従動側クラッチ歯１１４ｃを有し、前記駆動側クラッチ歯と前記従動側クラッチ歯は、それぞれ係合すると互いに食い込む方向に傾いた駆動伝達面を有し、前記駆動側クラッチ歯及び前記従動側クラッチ歯の少なくとも一方は、前記駆動伝達面よりも係合方向の先端において、係合すると互いに逃げる方向に傾いた機能面を有する。【選択図】図１３

Description

本発明は、駆動力を伝達、伝達解除を切り替え可能なクラッチ装置及びこれを備えたプロセスカートリッジ並びに画像形成装置に関する。

従来、駆動源からの駆動力を従動部に伝達する際、伝達のＯＮ／ＯＦＦを制御するために、電磁クラッチやバネクラッチなどの各種クラッチ装置が用いられてきた。しかし、これらのクラッチ装置は、コストが高く、形状が限られることが多い。これに対して機械的な構造のクラッチ装置は、コストも比較的安く、スリップ等の動作不良を生ずることもない。そのため、例えば画像形成装置等の駆動伝達の切り替えには機械的な構造のクラッチ装置も多く用いられている。

機械的なクラッチ装置としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。これは、インライン型カラー電子写真装置に機械式クラッチを採用した例である。インライン型カラー電子写真装置では、コストを抑えるため、電子写真感光体と現像器を同一のモータで駆動させる方法がある。特許文献１では、このような構成に加え、現像剤の浪費の問題を解消するため、現像駆動に回転／停止を制御する機械式クラッチ装置を採用している。

特開２００３−２０８０２４

しかしながら、上記従来技術では、以下に述べるような課題があった。特許文献１では、駆動側係合部材と従動側係合部材が係合したときに互いに食い込むように、それぞれのクラッチ歯がねじられている。このような構成では、駆動を切断する際、すなわち、駆動側係合部材と従動側係合部材を離間させる際に、クラッチ歯の歯先に回転方向の力に加え、軸長手方向にも大きな力がかかる。そして、この力によって歯先が変形し、駆動側係合部材と従動側係合部材を離間すると同時に、そのひずみを起因とした衝撃音が発生しまうことがあった。

上記衝撃音を抑えるために、クラッチ歯の歯先にＲ形状を付け、歯先の変形を抑えることが考えられる。しかし、単に歯先にＲ形状を付けると、駆動をＯＮにする際、すなわち、駆動側係合部材と従動側係合部材を係合させる際に、Ｒ形状にしたクラッチ歯の歯先部分で係止し、駆動側係合部材と従動側係合部材の係合不良が起きてしまう。

画像形成中に上記係合不良が起こると、現像器の負荷変動によってクラッチ歯の歯飛びが起き、さらには歯飛びによる現像器の回転むらが発生し、形成画像が乱れてしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成でクラッチ離間時の衝撃音を抑制し、かつ、クラッチ係合時の係合不良を防ぐことが可能なクラッチ装置を提供するものである。

上記目的を達成するための本発明に係る代表的な構成は、駆動伝達軸に設けられた駆動側係合部材と従動側係合部材とが係合、係合解除することで前記駆動側係合部材から前記従動側係合部材に駆動力が伝達、伝達解除されるクラッチ装置において、前記駆動側係合部材は、係合方向に突出した駆動側クラッチ歯を有し、前記従動側係合部材は、係合方向に突出し、前記駆動側クラッチ歯と係合、解除可能な従動側クラッチ歯を有し、前記駆動側クラッチ歯と前記従動側クラッチ歯は、それぞれ係合すると互いに食い込む方向に傾いた駆動伝達面を有し、前記駆動側クラッチ歯及び前記従動側クラッチ歯の少なくとも一方は、前記駆動伝達面よりも係合方向の先端において、係合すると互いに逃げる方向に傾いた機能面を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成でクラッチ離間時の衝撃音を抑制し、かつ、クラッチ係合時の係合不良を防ぐことができる。

本発明の実施形態に係るクラッチ装置の斜視図である。 電子写真画像形成装置及びプロセスカートリッジの断面図である。 プロセスカートリッジの断面図である。 プロセスカートリッジの斜視図である。 画像形成装置本体、プロセスカートリッジの斜視図である。 感光体ドラム及び現像ローラの駆動構成を示した図である。 クラッチの機能面の構成を示した図である。 クラッチの機能面の構成を示した図である。 ホームポジションのクラッチの状態を示す模式図である。 フルカラー記録時のクラッチの状態を示す模式図である。 モノカラー記録時のクラッチの状態を示す模式図である。 クラッチの突起部のらせん展開図である。 クラッチの先端当たりの状態、及びその際の力学モデルを示した図である。 機能面角度と負荷トルクの関係を示した図である。 クラッチをプロセスカートリッジに適用した斜視図である。 クラッチが軸方向に対して傾いて係合した状態を示した断面図である。 クラッチ歯の半径方向の距離に対して機能面角度を変化させた従動側係合部材の斜視図である。 機能面角度と半径方向の距離の関係を示した図である。

次に本発明の実施形態に係るクラッチ装置について、これを用いた画像形成装置を例示して説明する。

〔第１実施形態〕
以下の実施形態では画像形成装置として、４個のプロセスカートリッジが着脱可能なフルカラー画像形成装置を例示している。

なお、画像形成装置に装着するプロセスカートリッジの個数はこれに限定されるものではない。必要に応じて適宜設定されるものである。

例えば、モノクロの画像を形成する画像形成装置の場合には、前記画像形成装置に装着されるプロセスカートリッジの個数は１個である。また、以下説明する実施形態では、画像形成装置の一例としてプリンタを例示している。

［画像形成装置の概略構成］
図２は本実施形態の画像形成装置の断面概略図である。また、図３は本実施形態のプロセスカートリッジＰの断面図である。また、図４は本実施形態のプロセスカートリッジＰを駆動側からみた斜視図である。また、図５（ａ）は本実施形態の画像形成装置の斜視図であり、図５（ｂ）は、画像形成装置からプロセスカートリッジＰを取り外した時の画像形成装置の斜視図である。

図２に示すように、この画像形成装置１は、電子写真画像形成プロセスを用いた４色フルカラーレーザプリンタであり、記録媒体Ｓにカラー画像形成を行う。画像形成装置１はプロセスカートリッジ方式であり、プロセスカートリッジを電子写真画像形成装置本体２に取り外し可能に装着して、記録媒体Ｓにカラー画像を形成するものである。

ここで、画像形成装置１に関して、前ドア３を設けた側を正面（前面）、正面と反対側の面を背面（後面）とする。また、画像形成装置１を正面から見て右側を駆動側、左側を非駆動側と称す。

画像形成装置本体２には第１のプロセスカートリッジＰＹ（イエロー）、第２のプロセスカートリッジＰＭ（マゼンタ）、第３のプロセスカートリッジＰＣ（シアン）、第４のプロセスカートリッジＰＫ（ブラック）の４つのプロセスカートリッジＰ（ＰＹ・ＰＭ・ＰＣ・ＰＫ）が水平方向に配置されている。

画像形成部を構成する第１〜第４の各プロセスカートリッジＰは、それぞれ同様の電子写真画像形成プロセス機構を有しており、現像剤の色が各々異なる。第１〜第４のプロセスカートリッジＰには画像形成装置本体２の駆動出力部から回転駆動力が伝達される。

また、第１〜第４の各プロセスカートリッジＰには画像形成装置本体２からバイアス電圧（帯電バイアス、現像バイアス等）が供給される（不図示）。

図２に示すように、本実施形態の第１〜第４の各プロセスカートリッジＰは、像担持体である感光体ドラム４と、このドラム４に作用するプロセス手段としての帯電手段及びクリーニング手段を備えた感光体ドラムユニット８を有する。

また、第１〜第４の各プロセスカートリッジＰは、ドラム４上の静電潜像を現像する現像手段を備えた現像ユニット９を有する。第１〜第４のプロセスカートリッジＰにはイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の現像剤が収納されており、それぞれの色に応じたトナー像をドラム４に形成する。

第１〜第４のプロセスカートリッジＰの上方には、露光手段としてのレーザスキャナユニットＬＢが設けられている。このレーザスキャナユニットＬＢは、画像情報に対応してレーザ光Ｚを出力する。そして、レーザ光Ｚは、プロセスカートリッジＰの露光窓部１０を通過してドラム４の表面を走査露光する。

第１〜第４のプロセスカートリッジＰの下方には、転写部材としての中間転写ベルトユニット１１を設けている。この中間転写ベルトユニット１１は、駆動ローラ１３、テンションローラ１４，１５を有し、可撓性を有する転写ベルト１２を掛け渡している。

第１〜第４の各プロセスカートリッジＰのドラム４は、その下面が転写ベルト１２の上面に接している。その接触部が一次転写部である。転写ベルト１２の内側には、ドラム４に対向させて一次転写ローラ１６を設けている。

また、二次転写ローラ１７が、テンションローラ１４と対向する位置に、転写ベルト１２を介して配置されている。転写ベルト１２と二次転写ローラ１７の接触部が二次転写部である。

中間転写ベルトユニット１１の下方には、給送ユニット１８を設けている。この給送ユニット１８は、記録媒体Ｓを積載して収容した給送トレイ１９、給送ローラ２０を有する。

図１における装置本体２内の左上方には、定着ユニット２１と、排出ユニット２２を設けている。装置本体２の上面は排出トレイ２３としている。

現像剤像を転写された記録媒体Ｓは、定着ユニット２１に設けられた定着手段により定着された後に、排出トレイ２３へ排出される。

プロセスカートリッジＰは、引き出し可能なプロセスカートリッジトレイ６０を介して、装置本体２に対して着脱可能な構成となっている。図５（ａ）は、装置本体２からプロセスカートリッジトレイ６０及びプロセスカートリッジＰを引き出した状態を示している。

［画像形成動作］
フルカラー画像を形成するための動作は次のとおりである。

第１〜第４の各プロセスカートリッジＰのドラム４が所定の速度で回転駆動される（図３矢印Ｄ方向、図２において反時計回り）。

転写ベルト１２もドラムの回転に順方向（図２矢印Ｃ方向）にドラム４の速度に対応した速度で回転駆動される。

レーザスキャナユニットＬＢも駆動される。スキャナユニットＬＢの駆動に同期して、帯電ローラ５によってドラム４の表面が所定の極性・電位に一様に帯電される。レーザスキャナユニットＬＢは各ドラム４の表面を各色の画像信号に応じてレーザ光Ｚで走査露光する。

これにより、各ドラム４の表面に対応色の画像信号に応じた静電潜像が形成される。この静電潜像は、所定の速度で回転駆動（図３矢印Ｅ方向、図２において時計回り）される現像ローラ６により現像される。

このような電子写真画像形成プロセスにより、第１のプロセスカートリッジＰＹのドラム４にはフルカラー画像のイエロー成分に対応するイエロー色の現像剤像が形成される。そして、その現像剤像が転写ベルト１２上に一次転写される。同様にしてマゼンタ色、シアン色、ブラック色の各現像剤像が形成されて転写ベルト１２上に重畳されて一次転写される。このようにして、転写ベルト１２上にイエロー色、マゼンタ色、シアン色、ブラック色の４色フルカラーの未定着現像剤像が形成される。

一方、所定の制御タイミングで記録媒体Ｓが１枚ずつ分離されて給送される。その記録媒体Ｓは、所定の制御タイミングで二次転写ローラ１７と転写ベルト１２との接触部である二次転写部に導入される。

これにより、記録媒体Ｓが前記二次転写部へ搬送されていく過程で、転写ベルト１２上の４色重畳の現像剤像が記録媒体Ｓの面に順次に一括転写される。

［プロセスカートリッジの全体構成］
本実施形態において、第１から第４のプロセスカートリッジＰは、同様の電子写真画像形成プロセス機構を有し、収容されている現像剤の色や現像剤の充填量が各々異なるものである。

プロセスカートリッジＰは、感光体としてのドラム４と、ドラム４に作用するプロセス手段を備えている。ここで、プロセス手段はドラム４を帯電させる帯電手段としての帯電ローラ５、ドラム４に形成された潜像を現像する現像手段としての現像ローラ６、ドラム４の表面に残留する残留現像剤を除去するためのクリーニング手段としてのクリーニングブレード７等がある。そして、プロセスカートリッジＰは、ドラムユニット８と現像ユニット９とに分かれている。

［ドラムユニットの構成］
図３、図４に示すように、ドラムユニット８は、感光体としてのドラム４、帯電ローラ５、クリーニングブレード７、感光体枠体としてのクリーニング容器２６、廃現像剤収納部２７、プロセスカートリッジカバー部材（図４における駆動側プロセスカートリッジカバー部材２４と非駆動側プロセスカートリッジカバー部材２５）で構成される。尚、広義の感光体枠体には、狭義の感光体枠体であるクリーニング容器２６の他、廃現像剤収納部２７、駆動側プロセスカートリッジカバー部材２４、非駆動側プロセスカートリッジカバー部材２５も含まれる（以下の実施形態においても同様である）。なお、プロセスカートリッジＰが装置本体２に装着された際には、感光体枠体は装置本体２に固定される。

ドラム４は、プロセスカートリッジＰの長手両端に設けられたプロセスカートリッジカバー部材２４、２５により回転自在に支持されている。ここで、ドラム４の軸線方向を長手方向と定義する。

プロセスカートリッジカバー部材２４、２５は、クリーニング容器２６の長手方向の両端側で、クリーニング容器２６に固定されている。

また、図４に示すように、ドラム４の長手方向の一端側には、ドラム４に駆動力を伝達するためのドラムカップリング部材４ａが設けられている。図５（ｂ）は、装置本体２の斜視図であり、プロセスカートリッジトレイ６０及びプロセスカートリッジＰを不図示としている。プロセスカートリッジＰのそれぞれのドラムカップリング部材４ａは、図５（ｂ）に示す装置本体２の本体側駆動伝達部材としてのドラム駆動出力部材１２２（１２２Ｙ・１２２Ｍ・１２２Ｃ・１２２Ｋ）と係合し、装置本体の駆動モータ（不図示）の駆動力がドラム４に伝達される。

帯電ローラ５は、ドラム４に対し接触して従動回転できるように、クリーニング容器２６に支持されている。

また、クリーニングブレード７は、ドラム４の周表面に所定の圧力で接触するように、クリーニング容器２６に支持されている。

クリーニングブレード７によりドラム４の周面から除去された転写残現像剤は、クリーニング容器２６内の廃現像剤収納部２７に収納される。

また、駆動側プロセスカートリッジカバー部材２４、非駆動側プロセスカートリッジカバー部材２５には、現像ユニット９を回動可能に支持するための支持部が設けられている（不図示）。

［現像ユニットの構成］
現像ユニット９は、図３に示すように、現像ローラ６、現像ブレード３１、現像枠体２９及び、不図示の軸受部材、現像カバー部材などで構成されている。ここで、広義の現像枠体には、現像枠体２９の他、軸受部材４５及び現像カバー部材３２等が含まれる（以下の実施形態においても同様である）。なお、プロセスカートリッジＰが装置本体２に装着された際には、現像枠体２９は装置本体２に対し移動可能である。

また、広義のプロセスカートリッジ枠体には、前述した広義の感光体枠体及び広義の現像枠体が含まれる（以下の実施形態に関しても同様である）。

現像枠体２９は、現像ローラ６に供給する現像剤を収納する現像剤収納部４９及び現像ローラ６周面の現像剤の層厚を規制する現像ブレード３１を有する。

また、図４に示すように、現像ローラ６の長手方向の一端側には、現像ローラ６に駆動力を伝達するための現像カップリング部材６ａが設けられている。プロセスカートリッジＰのそれぞれの現像カップリング部材６ａは、図５（ｂ）に示す装置本体２の本体側駆動伝達部材としての現像駆動出力部材１２１（１２１Ｙ・１２１Ｍ・１２１Ｃ・１２１Ｋ）と係合し、装置本体の駆動モータ（不図示）の駆動力が現像ローラ６に伝達される。

［駆動構成及びクラッチ適用箇所］
レーザビームプリンタなどの画像形成装置では、モータのコストを抑えるために、感光体ドラムと現像器を１つのモータで駆動する構成が採用されることが多い。感光体ドラムと現像器を１つのモータで駆動する場合、たとえば画像形成前の準備動作において、感光体ドラムのクリーニングを行なう際に、現像剤の浪費を抑えるため、現像器の駆動を止めて、感光体ドラムのみ駆動する必要があり、このためにクラッチが用いられる。そのためのクラッチ装置の構成について以下説明する。

図６を用いて、ドラム４あるいは現像ローラ６の駆動構成について説明する。なお、図６は本体駆動部を上面から見た図であり、プロセスカートリッジＰは図示していない。

図６に示すように、モータ１００の駆動力を駆動分配し、ドラム駆動出力部材１２２と現像駆動出力部材１２１を駆動している。すなわち、モータが回転すると、モータ軸１０２を介してモータに連結されたピニオンギヤ１０１が回転する。ピニオンギヤ１０１は、アイドラギヤ１０５と、ドラム入力ギヤ１０４と噛み合っており、ピニオンギヤ１０１が回転するとアイドラギヤ１０５と、ドラム入力ギヤ１０４が回転する。

そして、ドラム入力ギヤ１０４は、ドラム駆動軸１０３を介して、ドラム駆動出力部材１２２と連結されており、ドラム入力ギヤ１０４が回転すると同時にドラム駆動出力部材１２２が回転する。さらに、ドラム駆動出力部材１２２は、図示しないプロセスカートリッジＰのドラムカップリング部材４ａと連結され、駆動力がドラム駆動出力部材１２２からドラムカップリング部材４ａを介してドラム４に伝達される。

また、アイドラギヤ１０５は現像入力ギヤ１１１と連結しており、アイドラギヤ１０５が回転すると現像入力ギヤ１１１が回転する。現像入力ギヤ１１１は、駆動伝達軸１１８及びクラッチＣＬを介して、現像駆動出力部材１２１と連結される。モータ１００から現像入力ギヤ１１１に入力された駆動力は、クラッチＣＬで駆動伝達のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、このクラッチＣＬの動作に応じて、現像駆動出力部材１２１の回転／停止が決定される。そして、現像駆動出力部材１２１は、図示しないプロセスカートリッジＰの現像カップリング部材６ａと連結され、現像カップリング部材６ａの駆動のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

［クラッチの構成］
次に、図１、図７、図８を用いて、クラッチＣＬの構成について説明する。

図１は、本実施形態のクラッチＣＬの全体斜視図である。図７（ａ）は、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が係合している状態を、従動側係合部材１１４から見た図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ断面図、図８（ａ）は駆動側係合部材１１３の斜視図、図８（ｂ）は従動側係合部材１１４の斜視図である。

図１に示すように、現像入力ギヤ１１１は、不図示の固定部材により従動側の駆動伝達軸１１８に対して回転自在、かつ、軸方向の位置を決められて取り付けられている。現像入力ギヤ１１１の内側は大きく肉抜きされて空洞部となっており、中心近傍の摺動ボス１１１ａの内周は駆動伝達軸１１８に対する位置決め及び摺動面となり、外周は駆動側係合部材１１３の位置決め及び摺動面となる。同じく現像入力ギヤ１１１の内側の外周近傍には４ヶ所の回り止め１１１ｂがあり、駆動側係合部材１１３の回り止めとなっている。

図８（ａ）に示すように、駆動側係合部材１１３には内周面１１３ａが設けられている。この内周面１１３ａが、図１に示した現像入力ギヤ１１１の摺動ボス１１１ａの外周部と嵌め合うことにより支持されるのと同時に、外周部に設けた回り止め１１３ｂが現像入力ギヤ１１１の回り止め１１１ｂと噛み合うことにより現像入力ギヤ１１１と一体的に回転可能である。この駆動側係合部材１１３は、前記回り止め１１３ｂが入力ギヤ１１１の回り止め１１１ｂと噛み合った範囲で駆動伝達軸１１８の軸方向に移動可能となっており、駆動伝達軸１１８に取り付けられた従動側係合部材１１４と係合可能になっている。そして、図８（ａ）に示すように、係合部材１１３の内側には４ヶ所の突起部１１３ｃがある。この突起部１１３ｃは従動側係合部材１１４と係合する方向（係合方向）に突出した駆動側クラッチ歯として構成されている。

また、図８（ｂ）に示すように、従動側係合部材１１４にも前記突起部１１３ｃと係合、解除可能な４ヶ所の突起部１１４ｃが駆動側係合部材１１３と係合する方向に突出し、従動側クラッチ歯として設けられている。これにより、駆動側係合部材１１３が係合方向に移動して突起部１１３ｃが従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃと係合することで回転駆動力を伝達することができる。一方、駆動側係合部材１１３が係合方向と反対方向（解除方向）に移動して前記突起部１１３ｃと突起部１１４ｃとが係合解除されると、駆動力が伝達解除される。

また、図７（ｂ）に示すように、駆動側係合部材１１３の突起部１１３ｃ及び従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃの駆動伝達面は、係合して回転すると互いに相手部材と食い込む方向に傾け、ねじるように形成している。これにより、回転中にクラッチをつなげても確実に噛み合い、大きなトルクが加わっても歯飛びが生じない。なお、本実施形態では前記駆動伝達面の傾き角度βは、本実施形態においては１０°で設定した。この傾き角度は、０°以上になっていればよく、角度が大き過ぎるとクラッチが離間しにくくなるため、０〜２０°程度が好適な範囲である。

ここで、突起部１１３ｃ及び１１４ｃを単にねじるだけでは、確実にクラッチを係合できる一方で、クラッチを離間する際に、突起部１１３ｃ、１１４ｃの歯先に、回転方向及び軸方向に大きな力が加わり、この力に伴う歯先の変形により衝撃音が発生してしまう。

そこで、本実施形態においては、駆動側係合部材１１３の突起部１１３ｃと、従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃの係合方向の先端には、駆動伝達面に対して、回転方向にも軸方向にも傾斜している機能面１１３ｅ，１１４ｅ（図８（ａ）（ｂ）参照）がそれぞれ設けられている。これにより、回転中にクラッチＣＬを切断する際に、負荷トルクによる歯先の変形を抑え、この変形に伴う衝撃音を抑制することが可能となる。この機能面については後述する。

続いて、図１に示すように、駆動側係合部材１１３の従動側の端面には、後述する解除部材１１５と回転摺動する摺動部１１３ｄを有している。また、駆動側係合部材１１３は付勢手段としてのコイルバネ１１２により常に従動側係合部材１１４の方向（係合方向）に付勢されている。コイルバネ１１２の両端に接しているコイルバネ１１２と駆動側係合部材１１３は同一回転するため、バネの端部摺動に関する問題や巻き径が変化することに起因する動作不良は生じない。

また、従動側係合部材１１４は駆動側係合部材１１３と係合すると、駆動側係合部材１１３内に内包される。また駆動側係合部材１１３は中間転写ベルトユニット１１の内側に形成された空洞部内に内包可能である。したがって、駆動側係合部材１１３、従動側係合部材１１４、コイルバネ１１２は、現像入力ギヤ１１１に形成された空洞部内に内包されている。これにより、スペースを有効に利用してコンパクトにできるとともに、歯面から伝えられた駆動力をそのまま内側に伝えるため係合部材にねじれや倒れの力を発生させにくくし、部品強度を確保しやすく大トルクの伝達が可能となる。

従動側係合部材１１４の嵌合孔１１４ａに駆動伝達軸１１８が挿通され、この駆動伝達軸１１８に固定された平行ピン１１９が従動側係合部材１１４に形成された溝１１４ｂに嵌合している。これにより、駆動側係合部材１１３から従動側係合部材１１４に伝達された駆動力が駆動伝達軸１１８に伝達される。

駆動伝達軸１１８は、軸受部材１１７を介して駆動ユニットのフレーム１２０に対して回転自在に支持され、端部に固定した現像駆動出力部材１２１からプロセスカートリッジの現像駆動部へ回転を伝達する。軸受部材１１７は駆動ユニットのフレーム１２０に固定されており、外周部には、回転摺動する円筒部１１７ｂを有する。さらに軸受部材１１７は、回転止め部１１７ｃを有しており、これが解除部材１１５の内周部１１５ａと嵌め合うことにより、解除部材の回転止めと、半径方向の位置決めを行なっている。

軸受部材１１７の円筒部１１７ｂと嵌め合い回動するのがレバー部材１１６であり、レバー部１１６ａを後述する切換部材９１（図１０（ａ）、図１１（ａ））により操作する。レバー部材１１６にはカム部１１６ｃがあり、解除部材１１５のカム部１１５ｃと当接して軸方向位置を制御している。また、カム部１１５ｃ、１１６ｃは回転中心に対して対称に複数設けられている。これにより、解除部材１１５が傾くことによる動作不良や動作抵抗の増加を防ぐことができる。

カム部１１５ｃはレバーのカム部１１６ｃに対応した形状となっており、これと当接して軸方向位置が決まるのと同時に、カムと反対側の摺動部１１５ｂが駆動側係合部材１１３と当接してこれの軸方向の位置を決めることになる。

即ち、レバー部材１１６のカム部１１６ｃと、解除部材１１５のカム部１１５ｃの山と山が合わさった状態においては、解除部材１１５は現像入力ギヤ１１１の方向に押し出される。これにより、摺動部１１５ｂが駆動側係合部材１１３の摺動部１１３ｄと当接してバネ１１２の弾性力に反して駆動側係合部材１１３を従動側係合部材１１４から引き離し、いわゆるクラッチが切れた状態となる。

一方、レバー部材１１６を回してレバー部材１１６のカム部１１６ｃと解除部材１１５のカム部１１５ｃの山と谷が合わさった状態においては、解除部材１１５は従動側の現像駆動出力部材１２１の方向に移動し、駆動側係合部材１１３がバネ１１２の弾性力により付勢され、従動側係合部材１１４と噛み合い、クラッチがつながり回転が伝達される。

なお、上記クラッチＣＬの構成は、駆動側と従動側を反対にした構成とすることも可能である。

［クラッチの動作］
次に、図９、図１０、図１１を用いて、クラッチＣＬの動作について説明する。

図９はホームポジションでのクラッチの状態を示した模式図で、図９（ａ）が切換部材９１及びレバー部材１１６を従動側から見た正面図、図９（ｂ）が図９（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図１０はフルカラープリント時のクラッチの状態を示した模式図で、図１０（ａ）が切換部材９１及びレバー部材１１６を従動側から見た正面図、図１０（ｂ）が図１０（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。図１１はモノカラープリント時のクラッチの状態を示した模式図で、図１１（ａ）が切換部材９１及びレバー部材１１６を従動側から見た正面図、図１１（ｂ）が図１１（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。

図９、図１０、図１１に示すように、現像駆動のクラッチＣＬの動作は、切換部材９１をモータ９０の駆動力によって左右に動かすことで行うことができる。また、図９（ｂ）に示すように、レバー部材１１６のカム部１１６ｃ及び解除部材１１５のカム部１１５ｃの形状を、ブラック用と他の色用とで異ならせている。すなわち、ブラック用のカム部１１５ｃ及び１１６ｃは頂点の両側に斜面を有する山形をしており、ホームポジションにおいては山の頂点と頂点が当接してクラッチが切れ、そこからレバーをどちらの方向に回してもクラッチがつながる。他の色のカム形状は、片側はブラック用と同様の斜面を有するが、もう片側は頂点と同じ高さの平坦部となっている。すなわち、ブラック用以外のクラッチは、図９（ｂ）に示したホームポジションでは駆動が切れており、そこからカムの山と谷が当接する方向にレバーを回すと駆動がつながるが（図１０（ｂ））、反対側に回しても駆動は切れたままである（図１１（ｂ））。

この構成にすれば、ホームポジションを基準として（図９）、全てのクラッチＣＬをつなげたフルカラープリント状態（図１０）、ブラックのクラッチＣＬだけをつなげたモノカラー状態（図１１）を簡単に設定することが可能となる。

プロセスカートリッジＰの画像形成装置本体２に装着の際には、本体側の現像駆動は図９に示したホームポジションとなっており、切換部材９１は不図示のセンサにより正確に位置決めされている。

ここで、記録動作を、フルカラープリント（図１０）とモノカラープリント（図１１）に分けて説明する。

フルカラープリントの場合、プリント信号により記録動作が開始されると、プロセスカートリッジＰを駆動する全てのモータ１００と転写ベルト駆動ローラ１３が回転する。このとき、切換部材９１は図９に示したホームポジションにあり、全てのクラッチＣＬが切れていて全ての現像ローラ６は回転しない。

次に、図１０（ａ）のように、ステッピングモータ９０が図中の矢印のように時計回りに回転し、切換部材９１を左方向に移動させる。全てのクラッチＣＬのレバー部材１１６が角度α１だけ回転すると、図１０（ｂ）のように全ての解除部材１１５及び駆動側係合部材１１３が図中下側に移動して従動側係合部材１１４と係合しクラッチが接続され、全ての現像ローラ６が回転して記録可能状態となる。

記録終了後は、ステッピングモータ９０を図９の初期状態まで戻す回転を行うことにより、全てのクラッチＣＬをホームポジションに戻し駆動を切って現像ローラ６の回転を停止させ、モータ１００及び転写ベルト駆動ローラ１３を停止する。なお、ステッピングモータ９０を第１段階から初期状態まで戻す回転を、モータ１００及び転写ベルト駆動ローラ１３を停止させた後に行ってもよい。

モノカラープリントの場合、プリント信号により記録動作が開始されると、プロセスカートリッジＰを駆動する全てのモータ１００と転写ベルトの駆動モータが回転する。このとき、全てのクラッチＣＬが切れているため現像ローラ６は回転しない。

次に、図１１（ａ）のように、ステッピングモータ９０が図中の矢印のように反時計回りに回転し、切換部材９１を右方向に移動させる。全てのクラッチＣＬのレバー部材１１６が角度α２だけ回転すると、図１１（ｂ）のようにブラックのクラッチＣＬｄだけが接続され、他のクラッチＣＬａ〜ＣＬｃは切れたままなので、ブラックの現像ローラ６だけが回転して記録可能状態となる。

記録終了後は、ステッピングモータ９０を図９の初期状態まで戻す回転を行うことにより、ブラックを含む全てのクラッチＣＬをホームポジションに戻し駆動を切って現像ローラ６の回転を停止させ、モータ１００及び転写ベルト駆動ローラ１３を停止する。なお、ステッピングモータ９０を第１段階から初期状態まで戻す回転を、プロセスカートリッジ駆動モータ１００及び転写ベルト駆動ローラ１３を停止させた後に行ってもよい。

このようにして画像形成を行う過程においては、スキャナユニットＬＢによる静電潜像を形成する前に、感光体ドラム４の周面に一様な電荷を付与するために前回転が行われる。そして、トナー像を現像後に、感光体ドラム４周面の電位を除電するために後回転等の行程が行なわれる。この前回転及び後回転の際に、現像ローラ６が停止しているため、トナーが現像ブレード３１で摺擦されることがなく、トナーの劣化を防ぐことが可能となる。

［機能面の構成］
上述したように、本実施形態では、駆動側係合部材１１３の突起部１１３ｃと、従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃに機能面１１３ｅ、１１４ｅを付けており、この機能面１１３ｅ、１１４ｅにより、クラッチ離間時の歯先の変形を抑え、衝撃音を抑えることができる。

ここで、図１２、図１３、図１４を用いて機能面角度について説明する。図１２は、従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃのらせん展開図を示している。駆動側係合部材１１３の突起部１１３ｃも同形状である。図１３（ａ）は、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４の歯先当たりの状態を示した図で、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の詳細図Ｂであり、歯先当たりの状態での力学モデルを示している。また、図１４は、機能面角度の設定の例として、負荷トルクと機能面角度の関係を示した図である。

図１２に示すように、駆動伝達面１１４ｆは、図示しない駆動側係合部材１１３が係合したときに食い込むように、ねじり角度βを付けている。また、機能面１１４ｅは、突起部１１４ｃの高さ方向先端にあり、ねじり角度βとは反対方向にθだけ傾けた面である。上述したように、本実施形態のねじり角度βは１０°で設定した。

このとき、機能面角度θの大きさによって、係合のしやすさが変わってくる。すなわち、機能面角度θは、機能面同士が係合すると互いに逃げる方向に傾いているため、この機能面角度θが大きいと、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が係合する際に、互いに食い込む力が発生しにくくなり、係合不良が発生しやすくなってしまう。ここで係合不良とは、駆動側係合部材１１３の突起部１１３ｃと、従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃの高さ方向先端同士で噛み合い、負荷変動などにより歯飛びが起こってしまう状態のことをいう。画像形成中に歯飛びが起こってしまうと、現像ローラ６の回転不良となり、ドラム４上にトナーが均一に現像されず、画像不良を引き起こしてしまう。

そこで、この係合不良を発生させないために、負荷トルクなどに応じて機能面角度θを規定する。係合不良を発生さないための機能面角度θの設定方法を、図１３（ｂ）を用いて説明する。なお、ここでの説明は、駆動側係合部材１１３を中心に行なうが、従動側係合部材１１４には、駆動側係合部材１１３の反力が加わっているだけで、その力の大きさは同じである。したがって、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材の１１４の機能面角度θは同じように設定すればよい。

まず、図１３（ｂ）をみると、駆動側係合部材１１３には、歯先当たりになったときに、主にコイルバネ１１２（不図示）による押込み力Ｆｐと、主に負荷トルクによる抵抗力Ｆｒが加わる。そして、抵抗力Ｆｒ＞押込み力Ｆｐとなると、駆動側係合部材１１３が、従動側係合部材１１４から離れるように動き、係合不良が起こる。すなわち、係合不良を起こさないためには、押込み力Ｆｐ≧抵抗力Ｆｒとすればよい。

押込み力Ｆｐと抵抗力Ｆｒを数式で表すと以下のようになる。

Ｆｐ＝Ｓcosθ＋μＮcosθ＋μＳsinθ・・・式（１）
Ｆｒ＝Ｎsinθ ・・・式（２）
ここで、Ｓは突起部１１３ｃの一歯にかかるコイルバネ１１２による力［Ｎ］、μは静止摩擦係数、Ｎは突起部１１３ｃの一歯にかかる負荷トルクによる反力［Ｎ］である。

そして、現像ローラ６にかかる負荷トルクをＴ［Ｎｍ］、クラッチ歯の噛み合い平均半径をｒ_ｍ（＝ｒ_１＋ｒ_２／２）［ｍ］、クラッチ歯の歯数をＺ［Ｎ］、コイルバネ１１２のばね力（付勢力）をｆ［Ｎ］とすると、上記Ｓ、Ｎはそれぞれ以下のように表わされる。

Ｓ＝ｆ／Ｚ ・・・式（３）
Ｎ＝Ｔ／Ｚｒ_ｍ ・・・式（４）
また、係合不良が起こらない条件は、
Ｆｐ≧Ｆｒ ・・・式（５）
である。

ここで、式（１）〜（４）を式（５）に代入し、整理すると、式（５）を満たす機能面角度θは下記の式（６）で表わされる。

θ≦tan^−１｛（ｆ＋μＴ／ｒ_ｍ）／（−μｆ＋Ｔ／ｒ_ｍ）｝・・・式（６）
式（６）から明らかなように、係合不良が起こらない機能面角度θは、ばね力ｆ、静止摩擦係数μ、負荷トルクＴ、平均半径ｒ_ｍで表わされ、クラッチ歯の歯数Ｚには影響しない。たとえば、歯数Ｚを増やしても、一歯にかかるばね力Ｓが減り押込み力Ｆｐは減る一方で、一歯にかかる負荷反力Ｎも減り抵抗力も減ることで、歯数Ｚの影響が相殺されるためである。

図１４は、ばね力をパラメータにして、機能面角度θと負荷トルクＴの関係を式（６）を用いて計算した結果であり、図中の曲線より小さい値に機能面角度θを設定すれば、係合不良が起こらないことを示している。

図１４で示したように、機能面角度θは負荷トルクＴが増えると小さくする必要がある。一方で、ばね力ｆを増やすと機能面角度θは大きくでき、機能面角度θの自由度が大きくなる。図１４から機能面角度θの一例を示すと、現像ローラ６の負荷トルクＴが０．３Ｎｍである場合、ばね力ｆを５Ｎに設定すると、機能面角度θは２１．４°以下にすればよい。本実施形態では、静止摩擦係数μは０．３、平均半径ｒ_ｍは５ｍｍで設定した。

〔プロセスカートリッジに適用する場合〕
前述した説明では、クラッチＣＬを画像形成装置１に搭載したが、画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジＰにも搭載可能である。

図１５は、クラッチＣＬをプロセスカートリッジＰの内部に搭載した図である。図１５に示すように、クラッチＣＬは、駆動側プロセスカートリッジカバー部材２４と、プロセスカートリッジフレーム１２３の間に配置されている。構成と動作は、図１の場合と同一である。すなわち、画像形成装置１から現像カップリング部材６ａに入力された駆動力は、レバー部材１１６の位相によって伝達／切断が選択され、伝達される場合には駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が係合し現像ローラ６が回転する。一方で、駆動力が切断される場合には、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が離間し、現像ローラ６は回転しない。

また、プロセスカートリッジＰにクラッチＣＬを搭載した場合においても、駆動側係合部材１１３の突起部１１３ｃと従動側係合部材１１４の突起部１１４ｃの先端には、機能面１１３ｅ及び１１４ｅを付けている。このように機能面１１３ｅ及び１１４ｅをつけることで、クラッチＣＬ離間時の衝撃音を抑制することができる。さらに、機能面角度を前述した式（６）に従って規定することで、係合不良を起こさないことが可能となる。

以上説明した構成・作用により、簡易な構成でクラッチ離間時の衝撃音を抑制し、かつ、クラッチ係合時の係合不良を防ぐことができる機械式クラッチ装置を提供することが可能となる。

なお、本実施形態に記載されている構成部品の機能、材質、形状その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

以上説明した構成により、クラッチ離間時の衝撃音を抑えつつ、クラッチが軸方向に対して傾いて係合した場合においても、係合不良を起こさない機械式クラッチ装置を提供することが可能となる。

なお、本実施形態においても、記載されている構成部品の機能、材質、形状その相対配置などは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、クラッチの駆動側係合部材と従動側係合部材が軸方向に対して傾いて係合した場合においても、係合不良を起こさないように、クラッチ歯の先端に付けた機能面の角度を規定するというものである。

この軸方向に対する傾きは、クラッチの軸や係合部材の寸法公差によって引き起こされ、クラッチのような機構部品では一般的な現象である。

なお、画像形成装置、プロセスカートリッジなどの構成や動作は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、第１実施形態との相違点のみ説明し、他の部分に関する詳細な説明は省略する。

図１６（ａ）は、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が歯先当たりの状態を示した図で、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＣＣ断面の突起部１１３ｃ及び１１４ｃのみを示したである。また、図１６（ｃ）は、従動側係合部材１１４が軸方向に傾いたときのＣＣ断面の突起部１１３ｃ及び１１４ｃを示した図である。

図１６（ｂ）に示したように、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が軸方向に対して傾いていない場合、突起部１１３ｃ及び１１４ｃの内径ｒ_１と外径ｒ_２から算出される平均半径ｒ_ｍと、突起部１１３ｃと１１４ｃが接触している中心である接触半径ｒ_ｃは一致する。

一方、図１６（ｃ）に示したように、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が軸方向に対して傾いて係合した場合、「平均半径ｒ_ｍ＞接触半径ｒ_ｃ」となる。「平均半径ｒ_ｍ＞接触半径ｒ_ｃ」となった場合、実質的に突起部１１３ｃ及び１１４ｃにかかる負荷トルクによる反力が大きくなるため、係合不良を起こさないよう、機能面角度θをより小さくする必要がある。すなわち、駆動伝達軸１１８の回転中心から半径方向の内側では機能面角度θを小さくし、半径方向の外側では機能面角度θを大きくする。

半径方向の位置によって変化する機能面角度θの設定は、式（６）の平均半径ｒ_ｍを接触半径ｒ_ｃに置き換えて計算すれば可能である。たとえば、接触半径ｒ_ｃ＝５ｍｍのとき、機能面角度θは２１．４°以下であった。そして、軸が傾いた場合を想定し、接触半径ｒ_ｃ＝４ｍｍとしたとき、式（６）で算出される機能面角度θは２０．５°以下となり、機能面角度θは半径５ｍｍの位置では２１．４°以下、半径４ｍｍの位置では２０．５°以下に設定すればよい。

このように設定することで、軸が傾いて半径方向の内側で突起部１１３ｃ及び１１４ｃが接触しても、係合不良を起こさないようにすることができる。

図１７は、半径方向の位置によって機能面角度θを変えたときの従動側係合部材１１４の斜視図であり、図１８は、軸中心からの距離ｒと機能面角度θの関係を示した図である。

図１８では、接触半径ｒ_ｃ＝４ｍｍで機能面角度θ＝２０°、接触半径ｒ_ｃ＝５ｍｍで機能面角度θ＝２１°を通るような直線で、機能面角度θを設定した。このとき、内径ｒ_１＝３ｍｍで機能面角度θ_１＝１９°、外径ｒ_２＝７ｍｍで機能面角度θ_２＝２３°である。

本実施形態では、図１８のように、半径方向の位置によって線形に機能面角度θを変えたが、半径方向の内側で機能面角度θが小さくなれば、曲線的に機能面角度θを変えてもよい。

上記のように構成することにより、駆動側係合部材１１３と従動側係合部材１１４が係合方向に対して傾いて係合した場合においても、係合不良の発生を抑制することができる。

Ｐ …プロセスカートリッジ
１ …画像形成装置
４ …感光体ドラム
１１１ …現像入力ギヤ
１１２ …コイルバネ
１１３ …駆動側係合部材
１１３ｃ，１１４ｃ …突起部
１１３ｅ，１１４ｅ …機能面
１１４ …従動側係合部材
１１５ …解除部材
１１６ …レバー部材
１１７ …軸受部材
１１８ …駆動伝達軸
１１９ …平行ピン
１２０ …フレーム
１２１ …現像出力部材

Claims (6)

1. 駆動伝達軸に設けられた駆動側係合部材と従動側係合部材とが係合、係合解除することで前記駆動側係合部材から前記従動側係合部材に駆動力が伝達、伝達解除されるクラッチ装置において、
   前記駆動側係合部材は、係合方向に突出した駆動側クラッチ歯を有し、
   前記従動側係合部材は、係合方向に突出し、前記駆動側クラッチ歯と係合、解除可能な従動側クラッチ歯を有し、
   前記駆動側クラッチ歯と前記従動側クラッチ歯は、それぞれ係合すると互いに食い込む方向に傾いた駆動伝達面を有し、
   前記駆動側クラッチ歯及び前記従動側クラッチ歯の少なくとも一方は、前記駆動伝達面よりも係合方向の先端において、係合すると互いに逃げる方向に傾いた機能面を有する
   ことを特徴とするクラッチ装置。
2. 前記駆動側係合部材及び前記従動側係合部材の少なくとも一方を、係合方向に付勢する付勢手段を有し、
   前記付勢手段の付勢力をｆ、静止摩擦係数をμ、駆動伝達軸にかかる負荷トルクをＴ、かみ合い平均半径をｒ_ｍ、及び前記機能面の傾き角度をθとしたとき、前記傾き角度θは、
   θ≦tan^−１｛（ｆ＋μＴ／ｒ_ｍ）／（−μｆ＋Ｔ／ｒ_ｍ）｝
   を満たすように設定したことを特徴とする請求項１に記載のクラッチ装置。
3. 前記機能面の傾き角度θは、前記駆動伝達軸の回転中心から半径方向に内側よりも外側の角度が大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクラッチ装置。
4. 前記駆動伝達軸に入力ギヤが回転自在に取り付けられ、
   前記駆動側係合部材は、前記入力ギヤと一体に回転可能であり、
   前記従動側係合部材は、前記駆動伝達軸と一体的に回転可能であり、
   前記駆動側係合部材及び前記従動側係合部材は、前記入力ギヤに形成された空洞部に内包可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のクラッチ装置。
5. 画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジであって、
   像担持体と、
   前記像担持体に形成された静電潜像を現像するための現像装置と、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のクラッチ装置と、
   を備えたことを特徴とするプロセスカートリッジ。
6. 画像形成部を駆動して画像を形成する画像形成装置において、
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のクラッチ装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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