JP2021036280A - ベルトユニット及び画像形成装置 - Google Patents

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貴之 高澤
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Abstract

【課題】ベルトの2次転写効率の印加電流への依存性を小さくすること。【解決手段】感光体ドラム111に現像剤像を形成する画像形成ユニット110から、現像剤像の転写を受ける側の第1の面に6000ボルトの電圧を印加した0.1秒後の表面電位が20ボルト以下であるベルト131と、第1の面の反対側の第2の面に接触し、ベルト131を駆動させる駆動ローラ132とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、ベルトユニット及び画像形成装置に関する。
従来から、複写機、プリンター又は複合機等の画像形成装置として、中間転写方式の画像形成装置がある。中間転写方式の画像形成装置は、感光ドラムの表面を一様に帯電した後、その感光ドラムの表面に画像を露光して、静電潜像を形成し、この静電潜像に現像器から現像剤としてのトナーを付着させることで形成されたトナー像を中間転写ベルトへ1次転写する。そして、1次転写されたトナー像は、記録用紙に2次転写され、そのトナー像が記録用紙に定着される。
従来の画像形成装置では、例えば、特許文献1に記載されているように、単層の樹脂からなる中間転写ベルトが用いられている。
特開2015−102601号公報
しかしながら、従来の中間転写ベルトでは、温度、湿度、媒体種類又は印刷速度等の印刷条件又は印刷環境が変化すると、中間転写ベルトに流れる電流が変わるため、高い2次転写効率が得られず、結果として、安定して均一な濃度を出力すること、及び、同一濃度の画像を繰り返し提供することが困難であった。
そこで、本発明は、ベルトの2次転写効率の印加電流への依存性を小さくすることを目的とする。
本発明の一態様に係るベルトユニットは、感光体ドラムに現像剤像を形成する画像形成ユニットから、前記現像剤像の転写を受ける側の第1の面に6000ボルトの電圧を印加した0.1秒後の表面電位が20ボルト以下であるベルトと、前記第1の面の反対側の第2の面に接触し、前記ベルトを駆動させる駆動部と、を備えることを特徴とする。
本発明の一又は複数の態様によれば、ベルトの2次転写効率の印加電流への依存性を小さくすることができる。
実施の形態1及び2に係る画像形成装置の構成を概略的に示す断面図である。 測定器を説明するための概略図である。 実施の形態1における測定結果を示す表である。 クリーニング部材を説明するための概略図である。 実施例4及び実施例6の2次転写電流と、2次転写効率との関係を示すグラフである。 実施例1〜6の表面電位と、電流依存性との関係を示すグラフである。 実施の形態2における評価結果を示す表である。 実施例7〜14の内、実施例9及び実施例14の2次転写電流と、2次転写効率との関係を示すグラフである。 実施例7〜14の表面電位と、電流依存性との関係を示すグラフである。 実施の形態1における実施例1〜6の表面抵抗率と、電流依存性との関係を示すグラフである。 実施の形態2における実施例7〜14の表面抵抗率と、電流依存性との関係を示すグラフである。 実施の形態1における実施例1〜6の表面抵抗率の差と、表面抵抗率との関係を示すグラフである。 実施の形態2における実施例7〜14の表面抵抗率の差と、表面抵抗率との関係を示すグラフである。 (A)〜(D)は、実施の形態2におけるベルト及びその変形例を示す断面図である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る画像形成装置100の構成を概略的に示す断面図である。
画像形成装置100は、給紙カセット101と、給紙部として機能する給紙ローラ102と、画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kと、露光部として機能するLEDヘッド120C、120M、120Y、120Kと、転写ユニット130と、2次転写部として機能する2次転写ローラ140と、定着部として機能する定着ローラ141と、クリーニング部材142とを備える。
給紙カセット101には、媒体としての用紙が収納される。
給紙ローラ102は、給紙カセット101から一枚の用紙を取り出し、その一枚の用紙を2次転写ローラ140に送り出す。
画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの各々は、割り当てられた色の現像剤であるトナーによる現像剤像であるトナー像を形成する。例えば、画像形成ユニット110Cは、シアンのトナー像を形成し、画像形成ユニット110Mは、マゼンタのトナー像を形成し、画像形成ユニット110Yは、イエローのトナー像を形成し、画像形成ユニット110Kは、ブラックのトナー像を形成する。
なお、画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kは、使用するトナーの色が異なっているだけで、同様に構成されている。このため、画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの各々を特に区別する必要がない場合には、画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの各々を画像形成ユニット110という。
ここでは、画像形成ユニット110Cについて、その構成を説明する。
画像形成ユニット110Cは、感光体ドラム111と、帯電部として機能する帯電ローラ112と、現像部として機能する現像ローラ113とを備える。
感光体ドラム111は、像を担持する像担持体である。例えば、感光体ドラム111は、円筒状の導電性支持体の表面に感光層(電荷発生層及び電荷輸送層)を積層したものである。
帯電ローラ112は、感光体ドラム111の表面を一様に帯電させる。一様に帯電された感光体ドラム111には、LEDヘッド120Cにより露光されることで、静電潜像が形成される。
現像ローラ113は、感光体ドラム111に形成された静電潜像に、現像剤としてのトナーを付着させることで、感光体ドラム111に現像剤像としてのトナー像を形成する。
LEDヘッド120C、120M、120Y、120Kの各々は、画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの各々に対応して設けられており、対応する画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの感光体ドラム111に静電潜像を形成する。
なお、LEDヘッド120C、120M、120Y、120Kの各々も同様に構成されているため、LEDヘッド120C、120M、120Y、120Kの各々を特に区別する必要がない場合には、LEDヘッド120という。
転写ユニット130は、画像形成ユニット110で形成されたトナー像の1次転写を受けるベルトユニットである。転写ユニット130に転写されたトナー像は、給紙ローラ102から送り出された一枚の用紙に2次転写ローラ140により2次転写される。
転写ユニット130は、中間転写ベルトとして機能するベルト131と、駆動部として機能する駆動ローラ132と、従動ローラ133、134と、1次転写ローラ135C、135M、135Y、135Kとを備える。
ベルト131は、継ぎ目のない無端ベルトであり、駆動ローラ132及び従動ローラ133、134に張架され、駆動ローラ132の駆動に伴って走行する。ベルト131には、画像形成ユニット110に対向する面である第1の面に、画像形成ユニット110からトナー像が転写される。ベルト131の詳細については、後述する。
駆動ローラ132は、ベルト131を走行させるローラである。具体的には、駆動ローラ132は、トナー像が転写されるベルト131の第1の面の反対側の第2の面に接触し、ベルト131を駆動させる。
従動ローラ133、134は、駆動ローラ132の駆動に伴って回転するローラである。
1次転写ローラ135C、135M、135Y、135Kの各々は、画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの各々に対応して設けられており、1次転写電圧の印可を受けることで、対応する画像形成ユニット110C、110M、110Y、110Kの感光体ドラム111に形成されたトナー像を、ベルト131に転写する1次転写部として機能する。
なお、1次転写ローラ135C、135M、135Y、135Kの各々も同様に構成されているため、1次転写ローラ135C、135M、135Y、135Kの各々を特に区別する必要がない場合には、1次転写ローラ135という。
2次転写ローラ140は、2次転写電圧の印加を受けることで、ベルト131に転写されたトナー像を一枚の用紙に転写する。
定着ローラ141は、一枚の用紙に転写されたトナー像を加熱及び加圧することで、そのトナー像をその一枚の用紙に定着させる。トナー像が定着された一枚の用紙は、画像形成装置100の外部に搬出される。
クリーニング部材142は、ベルト131に残存するトナー等のゴミを除去する。
ベルト131の製造方法については、特に限定されないが、実施の形態1では、ベルト131は、下記のようにして製造されている。
ベルト131の材料として、ポリイミド(以下、PIという)が選択されている。
導電性を確保するために、カーボンブラックを適量分散させたポリアミド酸溶液が、抵抗値に合わせて作成される。
半導電性のポリアミド酸溶液を得る方法として、例えば、以下の方法がある。
カーボンブラックを高分子分散剤の存在下で、有機極性溶媒中に分散させてカーボンブラック分散液とし、そのカーボンブラック分散液中でポリアミド酸を重合させた半導電性ポリアミド酸溶液に、イミド化促進剤を添加して、混合及び攪拌することによって、均一な半導電性ポリアミド酸溶液が得られる。
また、カーボンブラックを高分子分散剤の存在下でN−メチルピロリドン等の有機極性溶媒中に、ボールミル等を用いて分散させてカーボンブラック分散液とし、そのカーボンブラック分散液とポリアミド酸とを混合させた半導電性ポリアミド酸溶液に、イミド転化触媒を添加し、混合及び拡散することによって、均一な半導電性ポリアミド酸溶液が得られる。
そして、回転している円筒状の金型の内面にポリアミド酸溶液が必要な膜厚になるように塗布された後、塗布されたポリアミド酸溶液を乾燥させて、その焼成処理を行うことで、金型内面に単層のポリイミドが80μm(micro meter)の膜厚で得られる。
ここで、ベルト131の厚さは、好ましくは60μm以上、200μm以下である。駆動時にベルト131の端部に加わる応力と柔軟性とを考慮すると、ベルト131の厚さは、60μm以上、150μm以下であることがより好ましい。
なお、実施の形態1においては、ベルト131の厚さは、60μm以上、100μm以下の範囲であればよく、ここでは、80μmとなっている。
ポリアミド酸のイミド化反応を進行させるためには、200℃以上の高温処理が一般的である。200℃以下では十分なイミド転化が得られない。
一方、高温処理は、イミド転化に有利であり、安定した特性が得られるが、熱エネルギーを使用するため、熱効率が悪くコストが高くなるため、ベルト131の生産性を考慮して熱処理温度を決める必要がある。
ベルト131の材料としては、PIに限定されるものではなく、耐久性又は機械的特性の観点から、ベルト131の駆動時の張力変形が一定範囲であることが望ましい。例えば、PIと同様に、ヤング率が2000Mpa(Mega pascal)以上、好ましくは、3000Mpa以上である、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリアミド(PA)、ポリカーボネート(PC)、又は、ポリブチレンテレフタレート(PBT)等の樹脂、及び、これらを混合した樹脂系の材料であってもよい。
ベルト131を製造するにあたり、その溶媒は、使用される材料によって適宜決定されるが、非プロトン性極性溶媒が好適に用いられ、特に、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルスルホキシド、先に挙げたNMP、ピリジン、テトラメチレンスルホン、又は、ジメチルテトラメチレンスルホン等が用いられる。これらは単独で用いてもよく、混合溶媒として使用されてもよい。
また、導電化剤として使用されるカーボンブラックは、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック、又は、アセチレンブラック等があり、これらは単独で使用されてもよく、又は、複数種類のカーボンブラックが併用されてもよい。これらカーボンブラックの種類は、目的とする導電性により適宜選択することができるが、実施の形態1におけるベルト131には、特に、チャンネルブラック、又は、ファーネスブラックが、所定の抵抗を得るために、好適に用いられる。但し、その用途によっては、酸化処理、又は、グラフト処理等の酸化による劣化を防止したもの、又は、溶媒への分散性を向上させたものが用いられることが望ましい。
実施の形態1におけるベルト131のカーボンブラックの含有量については、その機械的強度等から、その樹脂固形分に対し、3〜40重量%、より好ましくは、3〜30重量%である。また、導電性を付加する手段としては、カーボンブラック等を利用した電子導電手法に限定されるものではなく、イオン導電化剤を添加することで所定の導電性が付与されてもよい。
以上のような製造方法により、実施の形態1では、発明者は、PIを主材料とし、層厚が80μmとなり、表面抵抗率(ρs)が異なる値となるように、カーボンブラックの添加量を適宜変更することで、実施例1〜実施例6に係るベルト131#1〜131#6を製造して、以下に示すような実験を行った。
発明者は、以上のようにして製造されたベルト131#1〜131#6の表面抵抗率(ρs)を、三菱アナリティック製Hiresta−UP/UR−100プローブを用いて、下記の条件(a)〜(e)にて測定し、ベルト131#1〜131#6の内外周それぞれの表面抵抗率(ρs)と、内外周面の表面抵抗差(Δρs=ρs外周面−ρs内周面)とを算出した。
ここで、表面抵抗率測定条件は、以下の(a)〜(e)とする。
(a)測定環境は、Normal温度(25℃)及びNormal湿度(50%)である。但し、測定対象は、測定環境に24時間以上なじませてから測定を行う。
(b)印加電圧は、500V(Volt)である。
(c)印加時間は、10s(second)である。
(d)印加荷重は、500g(gram)である。
(e)測定面は、ベルト131#1〜131#6の外周面及び内周面である。
また、発明者は、ベルト131#1〜131#6の外周面の帯電特性を、図2に示すような測定器170を用いて測定した。
具体的には、発明者は、測定対象171となるベルト131#1〜131#6の各々を適切な大きさに切り出し、直径30mm(millimeter)の金属シャフト172に巻き付けて、その測定対象171の外周表面に対して電極173から6KV(KiloVolt)を印加して、測定対象171の表面を帯電させた。
そして、発明者は、測定対象171に印加してから0.1秒後〜2秒後まで、0.1秒間隔で電位計プローブ174を用いて測定対象171の表面電位を測定した。
このとき、0.1秒後の表面電位をV、0.5秒後の表面電位をVとする。
表面抵抗率(ρs)、内外周面の表面抵抗差(Δρs)及び表面電位V、Vの測定結果は、図3に示されている。
実施の形態1では、発明者は、次のような特性のトナーを使用した。
トナーを構成する組成としては、スチレン−アクリル共重合体を主構成成分とし、パラフィンワックスを内包し、帯電調整のため適宜シリカ等の樹脂表面に外添剤を付与し、平均粒径7.0μmで、円形度0.95のものが使用された。
これは、転写効率向上、定着の離型剤レス、並びに、ドット再現性及び解像度に優れた現像を行なうことにより、画像のシャープネス及び高画像品位を得ることができることより選択された。
発明者は、ベルト131#1〜131#6のクリーニング部材142として、図4に示されているようなブレードクリーニングを採用した。
ブレード143は、ゴム硬度がJIS(Japanese Industrial Standards) A 65°〜100°の範囲にある弾性材料が好適であり、実施の形態1では、JIS A 78°の板厚が2.0mmのウレタンゴムが使用され、支持部材144によって固定されている。
これは、ウレタンゴム等の弾性材からなるブレード方式が、残留トナー又は異物等を除去する機能に優れ、その構成が簡単かつコンパクトで低コストであるからである。
また、ゴム材料としては、高硬度でしかも弾性に富み、耐磨耗性、機械的強度、耐油性及び耐オゾン性等に卓越しているウレタンゴムが適しているからである。
また、線圧は、1〜6g/mm、好ましくは、2〜5g/mmがよく、実施の形態1では、線圧が4.3g/mmとなるように設定されている。
これは、線圧が小さすぎるとベルト131への密着性が不足することにより、クリーニング不良が発生しやすいからである。また、線圧が大きすぎるとベルト131#1〜131#6との接触が面接触となることで、摩擦抵抗が過剰になり、掻きとり力よりも押付け力が勝ることで、ブレード143のメクレといった不具合が発生しやすくなるからである。
さらに、ブレード143と、ベルト131#1〜131#6との当接角θは、20°〜30°であることが好ましく、20°〜25°がより好ましい。
実施の形態1では、当接角θが21°となるように、ブレード143が設置されている。
なお、当接角θは、ブレード143と、ブレード143の先端部143aのベルト面との当接点における接線H方向とのなす角度のことである。
また、ブレードクリーニングの形態としては、図4に示されているように、ベルト面が従動ローラ134に支持され曲面となった部分にブレード143が当接される場合に限られるものではなく、水平なベルト平面に対してブレードを当接させる形態でもよい。
発明者は、2次転写工程における転写効率及び転写画像の評価を、図1に示されている画像形成装置100を使用することで行った。
まず、2次転写効率の評価方法について記載する。
評価条件は、以下の(f)〜(h)である。
(f)印刷環境は、温度28℃及び湿度80%の高温多湿とする。
(g)印刷媒体は、株式会社沖データ製のエクセレントホワイトA4とする。
(h)評価画像は、シアンの100%ベタの単一画像とする。
ここで、印刷画像密度において、例えば、感光ドラム1周分又は印刷媒体1ページ分等所定の領域における印刷可能範囲に、下記の(1)式で印刷画像密度が算出される。100%ベタは、印刷画像密度100%とする。
印刷画像密度={Cm(i)÷(Cd×C0)}×100 (1)
但し、Cm(i)は、感光体ドラム111がCd回転したときに実際に印刷で用いられたドットの数、すなわち、露光されたドット数である。
C0は、感光体ドラム111の1回転当たりのドット数、すなわち、露光の有無に限らず、感光体ドラム1回転あたりで印刷可能な最大ドット数である。なお、C0は、仮に、ベタ画像(ソリッド画像)の場合に用いられるドット数である。
Cd×C0は、感光体ドラム111がCd回転したときに印刷可能な最大ドット数である。
評価手順は、以下の(i)〜(n)である。
(i)1次転写電圧を決定する。
1次転写電圧を、タテ30mm×ヨコ20mmのブルーパッチ(シアン100%+マゼンタ100%)に転写かすれが発生し始める電圧+200Vに設定する。
(j)2次転写電圧を決定する。
2次転写電圧を、タテ30mm×ヨコ20mmのブルーパッチに転写かすれが発生し始める電圧+200Vに設定する。
(k)評価濃度を調整する。
エクセレントホワイトに印刷したシアンの100%ベタの画像の濃度がOD(Optical Density)値1.5となるように、現像バイアスを調整する。
(l)ベルト131上の2次転写前の単位面積当たりのトナー重量を測定する。
2次転写中に瞬断し、ベルト131#1〜131#6上の2次転写前のトナー付着量を治具で測定する。
なお、ベルト131#1〜131#6上の2次転写前のトナー付着量は、通常、0.6〜0.7cg/cm程度である。
(m)トナー種類毎に、トナー付着重量と、濃度との関係式を下記の(m−1)〜(m−5)の手順で算出する。
(m−1)2次転写中に瞬断し、転写された媒体上のトナー重量を、治具を使用して測定する。具体的な手順は、下記の通りである。
まず、トナーが転写された媒体を、金属シャフトにゴムを被覆した現像ローラに巻き付け、その現像ローラシャフトに、FG(Frame Grand)をとる。
次に、金属性の治具の表面に両面テープを貼り付け、その治具に電極をつなげる。
そして、治具にプラス電圧を付与し、媒体上のトナーを電界と粘着力とで採取して、採取されたトナーの重量を測定する。媒体上のトナー付着量は、1cm当たりの重量(mg/cm)で表される。
具体的には、金属製の治具の平面部分(面積1cm)に両面テープを貼り付け、外部電源を用いて+300Vの直流電圧をその治具に印加する。そして、発明者は、2次転写中に瞬断して、定着ローラ141への通紙前の印刷パターン(トナー像)の所定位置に、その治具を1回押し当てて、媒体上のトナーを採取した。その後、発明者は、トナーが付着したその治具の重量を、電子天秤(ザルトリウス、CAP225D)で計量した。そして、発明者は、トナー採取前後の治具の重量差分から単位面積当たりの媒体における付着量(mg/cm)を算出した。
(m−2)(m−1)のような瞬断を行わずに、媒体に印刷し、X−Rite528測定器で濃度(OD)を測定する。
ここで、発明者は、画像濃度に際して、測定器「X−Rite528」における測定条件を以下のように設定した。測定モードを「濃度測定モード」に設定し、ステータスの設定を「ステータスI」にし、白色基準の設定を「絶対白色基準」とし、「偏光フィルタ無し」とし、白色校正板でキャリブレーションを行った後に画像濃度を測定した。
「ステータスI」は、評価する波長領域の設定であり、「ISO5−3“Photography and graphic technology−Density measurements−Part 3: Spectral conditions」において規定されている。
印刷物の画像濃度の測定では、印刷物の下敷きとして黒色の紙媒体(すなわち、黒色紙)を測定時に使用した。具体的にいえば、発明者は、印刷物の下敷きとして、L表色系におけるL値、a値、b値を、それぞれL(B)、a(B)、b(B)としたときに、25.1≦L(B)≦25.9、且つ、0.2≦a(B)≦0.3、且つ、0.5≦b(B)≦0.7を満たす黒色紙を使用した。この黒色紙として「色上質紙 黒」(北越紀州製紙)が使用された。
以上のような設定において、測定器「X−Rite528」では、画像濃度は、V値(Visual Value)、Y値(Yellow Value)、M値(Magenta Value)及びC値(Cyan Value)の4つの数値として得られる。
なお、上記条件で測定した光学濃度(OD:Optical Density)を「画像濃度」と定義する。
(m−3)現像バイアスを変化させることで、1次転写されるトナー重量を変化させて、(m−1)及び(m−2)の手順を実施する。
(m−4)(m−3)の手順を10回繰り返す。
(m−5)濃度に対する必要トナー重量の関係式を算出する。
(n)転写効率電流依存性を評価する。
2次転写電圧を変えながら評価パターンをエクセレントホワイトに印刷し、評価パターンを2次転写している瞬間に瞬断する。そのときのベルト131#1〜131#6上の2次転写前の単位面積当たりのトナー重量と、2次転写後の転写残トナー重量とを測定し、以下の(2)式により転写効率を算出する。
転写効率(%)={100−(転写残トナー重量)÷(転写前トナー重量)}×100
(2)
実施の形態1では、発明者は、(n)の手順で算出された(2)式を用いて、下記のようにトナー重量を算出し、転写効率を算出した。
まず、発明者は、転写残トナーをスコッチテープで剥離し、基準紙であるA3サイズのエクセレントホワイトに貼り付けた。
次に、発明者は、貼り付けた転写残トナーの濃度(OD値)を測定し、予め定められているトナー重量と濃度との変換式により転写残トナー重量を算出した。
なお、2次転写電圧を変えながら評価を実施するが、発明者は、2次転写電圧時の実行電流を、オシロスコープを用いて読み取り記録し、図3及び図5に示すような結果を得た。
(g)次に、転写スジを評価する。
実施の形態1では、発明者は、2次転写効率を評価した印刷媒体(シアンの100%ベタの画像)を用いて転写スジの画像評価を実施した。すなわち、図5に示した2次転写効率が最も高い転写電流から60μA(microAmpere)までの画像において、転写スジの有無及び発生レベルを評価し、その結果を図3に示した。
転写スジ判定基準は、以下の通りである。
Lv(Level)4: 転写スジの発生無し(●)
Lv3: 転写スジが5個未満(◆)
Lv2: 転写スジが5個以上20個未満(▲)
Lv1: 転写スジが20個以上(×)
以上のような手順で、発明者は、実施例1〜6のベルト131#1〜131#6を用いて、2次転写効率及び転写スジレベルの評価を行った。
なお、2次転写効率の電流依存性は、2次転写電流の実行電流20〜80μAの範囲における転写効率の傾きを指標とし、傾きの絶対値を0.1以下となることを目標とした。
電流依存性の目標値設定理由は、下記の(o)〜(q)である。
(o)実使用における2次転写電流である40〜60μAにおける2次転写効率が、十分に高効率である90%以上となるようにするためである。
(p)トナーの帯電が上がりにくく、2次転写効率に不利な高温高湿環境においても、2次転写効率を90%以上とすることで、1ページ内の転写起因濃度バラツキ(ムラ)を抑制できるようにするためである。
(q)電流依存性を抑制して、温度若しくは湿度といった印刷環境、媒体の厚み、又は、媒体の抵抗バラツキ等の原因で転写電流が変化しても、高い2次転写効率を確保できるようにし、ページ間の濃度差を抑制できるようにするためである。
図5は、図3に示されている実施例1〜6の内、実施例4及び実施例6の2次転写電流と、2次転写効率との関係を示すグラフである。
図5では、実施例4における2次転写電流及び2次転写効率の関係を破線で示し、実施例6における2次転写電流及び2次転写効率の関係を実線で示している。
図3及び図5に示されている評価結果により、単層のベルト131は、表面抵抗率ρs1と、転写効率の電流依存性(α)は、正の相関があり、ρs1が大きくなるほど、αが大きくなることがわかる。
図6は、図3に示されている実施例1〜6の表面電位Vと、電流依存性との関係を示すグラフである。
図3及び図6に示されているように、ベルト131#1〜131#6の表面電位Vが20V以下である場合に、2次転写効率の電流依存性αが0.1以下になることがわかった。
ρs1が低抵抗なほど2次転写効率の電流依存性αが小さい理由は、下記であると推察される。
ベルト131の表面抵抗率ρs1が大きいと、高電圧印加直後のベルト131の表面電位Vが大きく、印加後経時における電位の変化が大きくなるため、1次転写直後のベルト131上のトナー電位が、ベルト131を介して減衰し、トナー帯電が低くなったと考えられる。
結果として、ベルト131上のトナー電位ムラを誘引し、帯電不足となったトナーが、2次転写時において、電界によりベルト131から媒体へ転写されにくくなっているものと推定できる。
一方、表面抵抗率ρs1が低抵抗なほど、電圧を印加してもベルト131の表面は帯電しにくく、表面電位Vが、20V以下と小さいため、図3のV及びVの比較にも現れているように、経時での電位変化量も小さく安定しているものと推定できる。すなわち、1次転写電圧を印加し、トナーをベルト131上に転写しても、ベルト131の表面が帯電しにくいことが考えられる。そのため、1次転写直後のベルト131上のトナー電位が、ベルト131を介して減衰しにくく、トナーの帯電低下を抑制し、ベルト131上のトナー層の帯電ムラを低減していると考えられる。結果として、安定してベルト131上のトナーを媒体へ均一に転写できる。
以上の結果から、ベルト131の外周面に6000Vを印加した直後(0.1秒後)の電位Vが20V以下となるベルト131を使用した場合、2次転写効率の電流依存性αを0.1以下に抑制することができるため、2次転写効率90%以上を達成することが可能となる。その結果、印刷環境、媒体の膜厚又は抵抗ムラの2次転写効率への影響を低減することが可能となり、ページ内濃度ムラ又はページ間濃度差を抑制できる。
実施の形態2.
図1に示されているように、実施の形態2に係る画像形成装置200は、給紙カセット101と、給紙ローラ102と、画像形成ユニット110と、LEDヘッド120と、転写ユニット230と、2次転写ローラ140と、定着ローラ141と、クリーニング部材142とを備える。
実施の形態2に係る画像形成装置200の給紙カセット101、給紙ローラ102、画像形成ユニット110、LEDヘッド120、2次転写ローラ140、定着ローラ141及びクリーニング部材142は、実施の形態1に係る画像形成装置100の給紙カセット101、給紙ローラ102、画像形成ユニット110、LEDヘッド120、2次転写ローラ140、定着ローラ141及びクリーニング部材142と同様である。
転写ユニット230は、画像形成ユニット110で形成されたトナー像の1次転写を受けるベルトユニットである。
転写ユニット230は、ベルト231と、駆動ローラ132と、従動ローラ133、134と、1次転写ローラ135とを備える。
実施の形態2における転写ユニット230の駆動ローラ132、従動ローラ133、134及び1次転写ローラ135は、実施の形態1における転写ユニット130の駆動ローラ132、従動ローラ133、134及び1次転写ローラ135と同様である。
ベルト231は、継ぎ目のない無端ベルトであり、駆動ローラ132及び従動ローラ133、134に張架され、駆動ローラ132の駆動に伴って走行する。
実施の形態2においても、ベルト231の製造方法については、特に限定されないが、実施の形態2では、ベルト231は、下記のようにして製造されている。
ベルト231の材料として、PIが選択されている。
導電性を確保するために、カーボンブラックを適量分散させたポリアミド酸溶液が、抵抗値に合わせて二種類作成された。ここで、作成された二種類のポリアミド酸溶液を、第1のポリアミド酸溶液及び第2のポリアミド酸溶液という。
そして、回転している円筒状の金型の内面に第1のポリアミド酸溶液が必要な膜厚になるように塗布された後、塗布された第1のポリアミド酸溶液を乾燥させて、その焼成処理を行うことで、金型内面に第1の層の単層ポリイミドが40μmの膜厚で得られる。
次に、第1の層のポリイミドを金型から脱型せずに、第1の層のポリイミドと同様に、回転している金型内面に第2のポリアミド酸が塗布された後、塗布された第2のポリアミド酸溶液を乾燥させて、その焼成処理を行うことで、第1のポリイミド層及び第2のポリイミド層を有するベルト231が全体で80μmの膜厚で成形された。このとき、第2のポリイミド層は、ベルト231の内周面であり、第1のポリイミド層は、ベルト231の外周面である。
なお、実施の形態1と同様に、第1の層及び第2の層から構成されたベルト231の厚さは、好ましくは60μm以上、200μm以下である。駆動時にベルト231の端部に加わる応力と柔軟性とを考慮すると、ベルト231の厚さは、60μm以上、150μm以下であることがより好ましい。より好適には、ベルト231の厚さは、60μm以上、130μm以下である。ここでは、ベルト231の厚さは80μm又は120μmとなっている。
ここで、第1の層の厚さは、30μm以上80μm以下であることが望ましく、第2の層の厚さは、30μm以上50μm以下であることが望ましい。
ポリアミド酸のイミド化反応を進行させるためには、200℃以上の高温処理が一般的である。200℃以下では十分なイミド転化が得られない。
一方、高温処理は、イミド転化に有利であり、安定した特性が得られるが、熱エネルギーを使用するため、熱効率が悪くコストが高くなるため、ベルト231の生産性を考慮して熱処理温度を決める必要がある。
また、実施の形態2では、各層の材料液を順次積層塗布していくことで、所定の膜厚のベルト231が形成されている。ベルト231の材料としては、PIに限定されるものではなく、耐久性又は機械的特性の観点から、ベルト231の駆動時の張力変形が一定範囲であることが望ましい。例えば、PIと同様に、ヤング率が2000Mpa以上、好ましくは、3000Mpa以上である、PAI、PEI、PPS、PEEK、PVDF、PA、PC、又は、PBT等の樹脂、及び、これらを混合した樹脂系の材料であってもよい。
実施の形態2では、ベルト材料の主成分としてPIが使用されているが、主成分が同じであれば、実質的に同一のベルト材料といえる。なお、実施の形態2では、第1の層を第1の樹脂で形成し、第2の層を第1の樹脂とは異なる第2の樹脂で形成することも可能である。
ベルト231を製造するにあたり、その溶媒は、使用される材料によって適宜決定されるが、非プロトン性極性溶媒が好適に用いられ、特に、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルスルホキシド、先に挙げたNMP、ピリジン、テトラメチレンスルホン、又は、ジメチルテトラメチレンスルホン等が用いられる。これらは単独で用いてもよく、混合溶媒として使用されてもよい。
また、導電化剤として使用されるカーボンブラックは、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック、又は、アセチレンブラック等があり、これらは単独で使用されてもよく、又は、複数種類のカーボンブラックが併用されてもよい。これらカーボンブラックの種類は、目的とする導電性により適宜選択することができるが、実施の形態2におけるベルト231には、特に、チャンネルブラック、又は、ファーネスブラックが、所定の抵抗を得るために、好適に用いられる。但し、その用途によっては、酸化処理、又は、グラフト処理等の酸化による劣化を防止したもの、又は、溶媒への分散性を向上させたものが用いられることが望ましい。
実施の形態におけるベルト231のカーボンブラックの含有量については、その機械的強度等から、その樹脂固形分に対し、3〜40重量%、より好ましくは、3〜30重量%である。また、導電性を付加する手段としては、カーボンブラック等を利用した電子導電手法に限定されるものではなく、イオン導電化剤を添加することで所定の導電性が付与されてもよい。
以上のような製造方法により、実施の形態2では、発明者は、PIを主材料とし、層厚が80μm又は120μmとなり、表面抵抗率(ρs)が異なる値となるように、カーボンブラックの添加量を適宜変更することで、実施例7〜実施例14に係るベルト231#7〜231#14を製造して、実施の形態1と同様の実験を行った。
具体的には、発明者は、実施の形態1における実施例3を製造する際に使用したポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第1の層を製造し、実施の形態1における比較例2を製造する際に使用したポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例7におけるベルト231#7を製造した。
以下同様にして、発明者は、実施例4のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第1の層を製造し、実施例5のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例8におけるベルト231#8を製造し、実施例5のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第1の層を製造し、実施例4のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例9におけるベルト231#9を製造し、実施例6のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第1の層を製造し、実施例2のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例10におけるベルト231#10を製造した。
さらに、発明者は、PIを主材料とし、表面抵抗率(ρs)が12.0logΩ/□となるようにカーボンブラックを適宜添加したポリアミド酸溶液を用いて、80μmの厚さの第1の層を製造し、実施例4のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例11におけるベルト231#11を製造した。
発明者は、PIを主材料とし、表面抵抗率(ρs)が13.0logΩ/□となるようにカーボンブラックを適宜添加したポリアミド酸溶液を用いて、80μmの厚さの第1の層を製造し、実施例2のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例12におけるベルト231#12を製造した。
発明者は、PIを主材料とし、表面抵抗率(ρs)が13.0logΩ/□となるようにカーボンブラックを適宜添加したポリアミド酸溶液を用いて、80μmの厚さの第1の層を製造し、実施例4のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例13におけるベルト231#13を製造した。
発明者は、PIを主材料とし、表面抵抗率(ρs)が13.0logΩ/□となるようにカーボンブラックを適宜添加したポリアミド酸溶液を用いて、80μmの厚さの第1の層を製造し、実施例5のポリアミド酸溶液を用いて40μmの厚さの第2の層を製造することで、実施例14におけるベルト231#14を製造した。
以上のようにして製造された実施例7〜実施例14に係るベルト231#7〜231#14を用いて、発明者は、実施の形態1と同様の実験を行った。
図7に、実施の形態2における評価結果を示す。なお、図7には、実施の形態1における実施例1〜6の評価結果についても示されている。
図8は、図7に示されている実施例7〜14の内、実施例9及び実施例14の2次転写電流と、2次転写効率との関係を示すグラフである。
図8では、実施例14における2次転写電流及び2次転写効率の関係を破線で示し、実施例9における2次転写電流及び2次転写効率の関係を実線で示している。
図3及び図5に示されている評価結果より、実施の形態1における単層のベルト131は、表面抵抗率ρs1と、転写効率の電流依存性αは、正の相関があり、ρs1が大きくなるほど、αが大きくなることがわかる。
一方、図7及び図8に示されている評価結果より、実施の形態2における2層のベルト231は、αのρs1への依存性は小さく、ρs1が9.4〜11.6の範囲において、αは0.1以下であり、2次転写電流によらず、高い2次転写効率を確保できることが分かった。
図9は、図7に示されている実施例7〜14の表面電位Vと、電流依存性との関係を示すグラフである。
図7及び図9に示されているように、ベルト231#7〜231#14の表面電位Vが20V以下である場合に、2次転写効率の電流依存性αが0.1以下になることがわかった。この理由は、実施の形態1と同様である。
図10は、実施の形態1における実施例1〜6の表面抵抗率ρs1と、電流依存性との関係を示すグラフである。
図11は、実施の形態2における実施例7〜14の表面抵抗率ρs1と、電流依存性との関係を示すグラフである。
図10に示されている実施の形態1では、表面抵抗率ρs1が大きくなるにつれて、電流依存性も高くなる傾向がある。
一方、図11に示されているように実施の形態2では、表面抵抗率ρs1が大きくなっても、電流依存性は高くならない。
なお、一般的に、ρs1<10.0の場合は、放電スジが発生し、11.0<ρs1の場合には、色横スジが発生すると考えられている。
このため、一般的には、10.0≦ρs1≦11.0の範囲のベルトを用いる必要があった。
図12は、実施の形態1における実施例1〜6の表面抵抗率の差Δρsと、表面抵抗率ρs1との関係を示すグラフである。
図13は、実施の形態2における実施例7〜14の表面抵抗率の差Δρsと、表面抵抗率ρs1との関係を示すグラフである。
図12との比較により明確であるが、図13に示されているように、ベルト231の外周面の表面抵抗率ρs1が、その内周面のρs2よりも大きいとき、特に0.1≦Δρs≦0.3の場合には、転写スジを抑制する効果があることが分かった。
転写スジは、感光体ドラム111と、ベルト131、231との間のギャップ、又は、ベルト131、231と、媒体の入口若しくは出口とのギャップにおける放電によって発生する。
さらに、実施の形態2におけるベルト231では、0.1≦Δρs≦0.3において、V≦20Vとなっており、2次転写効率の電流依存性αが0.1以下となっている。このため、0.1≦Δρs≦0.3となっているベルト231では、転写スジの抑制と、90%以上という高い2次転写効率を両立できることが分かった。
外周層と内周層の2つの異なる抵抗層で構成されたベルト231は、その厚み方向において導電性が一定となる単層のベルト131と比べて、ベルト231の厚み方向に局所的な電流が流れにくくなる。ベルト231の外周面から電子が流入しても流入した電子は、高抵抗の外周面と、低抵抗の内周面との界面において、厚み方向よりも平面方向に電子が分散しながら内周面に向けて電子が移動する。そのため、厚み方向に局所的な電流が流れにくくなるものと推察される。すなわち、ベルト231の外周面への電圧印加又は外周面での放電が発生した場合に、ベルト231の外周面に電荷が供給されても、外周層と内周層との界面に電荷が溜まり、低抵抗な内周面を平面方向に流れるため、ベルト231の外周面に電荷が蓄積されにくくなることで、結果として、外周面の帯電を抑制することが可能になったものと推察することができる。
以上の結果から、実施の形態2では、ベルト231の外周面に6KVの印加直後(0.1s後)の電位Vが20V以下となるようにした場合、2次転写効率の電流依存性αを0.1以下に抑制することができ、2次転写効率90%以上を達成することができる。その結果、印刷環境、又は、媒体の膜厚若しくは抵抗ムラの2次転写効率への影響を低減することが可能となり、ページ内濃度ムラ又はページ間濃度差を抑制できる。
さらに、実施の形態2では、外周面と内周面との表面抵抗率の差Δρsを0.1≦Δρs≦0.3にすることで、2次転写効率の電流依存性を低減し90%以上の2次転写効率と、転写スジの抑制とを両立することができる。
なお、上述のように、一般的には、10.0≦ρs1≦11.0の範囲のベルトを用いる必要があった。しかしながら、図13に示されているように、実施の形態2では、0.1≦Δρs≦0.3の範囲において、ρs1>11.0でも転写スジが発生せず、転写スジを効率的に抑制することができている。
実施の形態2では、二層の樹脂でベルト231が形成されているが、図14(B)〜(D)に示されているように、二層の内の少なくとも何れかの内部に多数の空洞(ボイド)が設けられていてもよい。
ここで、図14(A)〜(D)は、実施の形態2におけるベルト231及びその変形例を示す断面図である。
実施の形態2におけるベルト231は、図14(A)に示されているように、実質的に同一のベルト材料により形成されており、第1の層(表面層)231aと、第2の層(裏面層)231bとを備えている。
ここで、実施の形態2におけるベルト231は、図14(B)〜(D)に示されているベルト331〜531のように、内部に多数の空洞を有していてもよい。特に、ベルト331〜531の厚さ方向の内部には、多数の空洞が形成されている。
一方、ベルト331〜531の外周面の近傍及び内周面の近傍には、空洞が形成されていないか、または、ベルト331〜531の内部と比較して空洞の大きさが小さくなっている。
このようにベルト331〜531の内部に多数の空洞を形成することで、感光体ドラム111と、ベルト331〜531との間で現像剤に加わる圧力を分散し、中抜け等の画像欠陥の発生を抑制しつつ、電流依存性を小さくする効果が得られる。
ベルト331〜531のように、その断面に空洞を有する場合、空洞を有しないソリッドなベルト231に比べて、表面に高電圧を印加しても表面が帯電しにくく、Vが小さいことが分かった。これは空洞の存在によって、電荷を打ち消しあうことができる界面がベルト331〜531の内部に複数存在することで、帯電しにくくなるためと考えられる。結果として、Vを効果的に低減することが可能になるため、前述したように、内部に空洞を有することで、2次転写効率の電流依存性を効果的に低減することができる。
また、ベルト331〜531の表面近傍に空洞を形成しないことにより、ベルト331〜531の表面を平滑にし、クリーニング部材142によるクリーニング性能を確保することができる。
ここで、ベルト331〜531の空洞の有無の確認方法について説明する。
空洞の大きさの測定には、走査型電子顕微鏡(SEM)である株式会社日立製作所製「電子顕微鏡S−2380N型」を用いて空洞の有無を確認した。ベルト331〜531の切断した断面に、60秒間のカーボン蒸着を行ったのち、加速電圧を15KVとし、3000倍の倍率で観察した。
発明者は、上記のSEMで観察した転写ベルト(厚さ80μm)の断面において、外周面から10μmの位置と、外周面から70μmの位置とで、単位面積(10μm×10μm)に空洞の存在を確認した。
以上に記載されたベルト131〜531は、中間転写ベルトとして説明したが、実施の形態1及び2は、このような例に限定されず、例えば、画像形成ユニット110が設置されている位置に媒体を搬送する搬送ベルトとして使用されてもよい。
100,200 画像形成装置、 101 給紙カセット、 102 給紙ローラ、 110 画像形成ユニット、 111 感光体ドラム、 112 帯電ローラ、 113 現像ローラ、 120 LEDヘッド、 130,230 転写ユニット、 131,231,331,431,531 ベルト、 231a 第1の層、 231b 第2の層、 132 駆動ローラ、 133 従動ローラ、 134 従動ローラ、 135 1次転写ローラ、 140 2次転写ローラ、 141 定着ローラ、 142 クリーニング部材。

Claims (13)

  1. 感光体ドラムに現像剤像を形成する画像形成ユニットから、前記現像剤像の転写を受ける側の第1の面に6000ボルトの電圧を印加した0.1秒後の表面電位が20ボルト以下であるベルトと、
    前記第1の面の反対側の第2の面に接触し、前記ベルトを駆動させる駆動部と、
    を備えることを特徴とするベルトユニット。
  2. 前記ベルトは、厚さ方向において、前記第1の面側の第1の層と、前記第1の面の反対側の第2の層とを備えること
    を特徴とする請求項1に記載のベルトユニット。
  3. 前記ベルトは、前記第1の層と、前記第2の層とは、実質的に同じ樹脂であること
    を特徴とする請求項2に記載のベルトユニット。
  4. 前記第1の層は、第1の樹脂であり、
    前記第2の層は、第2の樹脂であること
    を特徴とする請求項2に記載のベルトユニット。
  5. 前記第1の層の表面抵抗率が前記第2の層の表面抵抗率以上であること
    を特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  6. 前記第1の層の表面抵抗率をρs1とし、前記第2の層の表面抵抗率をρs2とした場合に、下記の(1)及び(2)式を満たすこと
    9.4[logΩ/□]≦ρs1≦11.6[logΩ/□] (1)
    9.8[logΩ/□]≦ρs2≦11.3[logΩ/□] (2)
    を特徴とする請求項2から5のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  7. 前記第1の層の表面抵抗率と、前記第2の層の表面抵抗率との差Δρsが、下記の(3)式を満たすこと
    0.1≦Δρs≦0.3 (3)
    を特徴とする請求項5に記載のベルトユニット。
  8. 前記第1の層の厚さが30μm〜80μmであり、前記第2の層の厚さが30μm〜50μmであること
    を特徴とする請求項2から7のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  9. 前記第1の層及び前記第2の層の少なくとも一方の内部に複数の空洞が存在すること
    を特徴とする請求項2から8のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  10. 前記ベルトの厚さが60μm〜130μmであること
    を特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  11. 前記ベルトは、前記画像形成ユニットから、前記現像剤像の転写を受ける中間転写ベルトであること
    を特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  12. 前記ベルトは、前記画像形成ユニットから、前記現像剤像の転写を受ける媒体を搬送する搬送ベルトであること
    を特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載のベルトユニット。
  13. 請求項1から12のいずれか一項に記載のベルトユニットを備えたことを特徴とする画像形成装置。
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