JP3572872B2 - 帯電方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、プリンター等の電子写真式の画像形成装置において、静電潜像担持体上に静電潜像を作成するための帯電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、感光体または絶縁シート等の静電潜像担持体を帯電させる手段として、細い金属ワイヤーに高電圧を印加してコロナ放電を行うコロトロンまたはスコロトロンが知られている。しかし、この帯電法は、オゾン及び窒素酸化物の発生量が多いため、環境汚染及び静電潜像担持体の機能が低下するという問題があり、また、使用される装置が複写機中のトナー等により汚染され易いという問題も有している。
【０００３】
これらの問題を解決する手段として、導電性の弾性ロールまたは導電性のフィルム電極に電圧を印加し、静電潜像担持体との接触部位近傍における空気が、絶縁破壊される現象を利用して電荷を与える帯電方法が最近多く使われるようになってきている。ところが、この方法は上記したコロトロンの問題を解消しているが、帯電電位を安定かつ均一に保持させるためにＡＣ電圧及びＤＣ電圧を印加していること及び放電領域が静電潜像担持体表面にまで及ぶため、静電潜像担持体の表面がイオンの衝突による損傷を受けたり、発生する紫外線によって損傷を受けるという問題があった。
【０００４】
上記の問題を解決するものとして、電荷付与部材と静電像担持体との間にメッシュ状の帯電制御部材を設けた帯電方法が提案されている。この方法について図面を参照して説明すると、例えば、図１に示す電荷付与部材２と帯電制御部材３との間に放電開始電圧Ｖｔｈを越える電圧を印加すると、図２に示すように、その両部材間で空気の電離が発生する。この電離は、通常電荷付与部材と帯電制御部材の間のみで発生するものであって静電潜像担持体の表面にまで及ぶことがないため、感光体等の静電潜像担持体の劣化が抑制されるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、この帯電方法は、所望の帯電電位に収束し難いこと及び均一電位を維持させることが困難であること等の問題を有しており、そのため、現像剤の濃度を向上させることができず、したがって、濃度ムラを発生させるという問題がある。例えば、プロセススピード５０ｍｍ／ｓで感光体を−５００Ｖに帯電させるには１〜２秒程度の時間を要するし、またその電位は平均値よりも±５０Ｖ以上の幅で変動することが多いために実用的でない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、従来の技術における上記した問題について検討したところ、静電潜像担持体の帯電においては、電荷付与部材と帯電制御部材との間隔が２０〜５００μｍ程度に近接しているために、両部材の作製時における表面精度等の差異に起因する放電電流の不均一化、両部材間に現像剤等の混入による不均一放電の発生及び帯電制御部材の印加電圧を高くすると所望の電位が得られ難く、不均一帯電が起こり易いこと等が判明した。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、帯電速度が速く、良好な均一帯電が得られる帯電方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、不均一帯電を引き起こす要因の影響を受けることなく、均一な帯電量が得られる帯電方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、静電潜像担持体を劣化させることなく、均一電位を保持できる帯電方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に絶縁層または光半導体層を有する静電潜像担持体に、近接して対向するように配置された帯電装置であって、前記静電潜像担持体との間に電界を生じさせる電荷付与部材及びその電荷付与部材と前記静電潜像担持体との間に電位が付与されることにより電界内で生じる放電の電離領域を制限する帯電制御部材を有する帯電装置を用いて、前記静電潜像担持体に電荷を付与する帯電方法において、電荷付与部材の印加電圧（Ｖｄｉｓ ）、帯電制御部材の印加電圧（Ｖｍｅｓｈ）及び電荷付与部材と帯電制御部材との間の放電開始電圧（Ｖｔｈ）とは、次式（Ｉ）
｜Ｖｍｅｓｈ｜≦｜１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）｜ （Ｉ）
の関係を満たすように印加電圧を制御することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の帯電方法の一例を示す概略構成図である。図１においては、表面に潜像が形成される静電潜像担持体１と対向する位置に帯電装置が配置されている。この帯電装置は、対向位置に放電を生じさせる電荷付与部材２と、この電荷付与部材２と静電潜像担持体１との間に配置され、これらの間に生じる放電の電離領域を制限する帯電制御部材３とを備えている。さらに、静電潜像担持体１と電荷付与部材２との間に放電用の電圧を印加する放電用電源４と、帯電制御部材３に電離領域を制限するための電圧を印加する帯電制御用電源５とを備えている。
【００１０】
上記静電潜像担持体１は回転可能に支持され、接地された基板電極とその上に感光性材料を塗布したパイプ状の感光体である。この感光体としては、この形状に限定されるものではなく、基板電極をフレキシブルなベルト状にしたものも使用可能である。また、放電用電源４から、例えば約−４０００Ｖの直流電圧が電荷付与部材２に印加される。
【００１１】
電荷付与部材２としては、カーボンブラックまたは酸化スズ等の導電剤が添加されたウレタン、シリコーン、ＥＰＤＭ等のゴム部材等で形成されているものであり、電気抵抗が１０^４ Ω・ｃｍから１０^８ Ω・ｃｍの範囲のものが好ましい。この基材に用いる材料としては、ゴム系部材に限定されるものではなく、有機系材料であっても無機系材料であってもよい。
また、帯電制御部材３としては、例えば、図８に示すような微細な開口部を有するスクリーン状の導電性電極を用いることが好ましく、さらに、電荷付与部材２と帯電制御部材３の間に直接電流が流れるのを抑制するために、電荷付与部材２との接触面に、例えばポリイミド膜のような電気絶縁層を設けることが望ましい。図８は、本発明に使用される導電性電極の一例を示すものであり、厚さ４０μｍのステンレス製電極に直径１００μｍの円状の穴をプロセス方向と６０°の角度に２００μｍ間隔で配置したスクリーンが示されている。
【００１２】
静電潜像担持体を帯電させるには、図１における電荷付与部材２と帯電制御部材３とを一体で回転させながら静電潜像担持体上を相対的に移動させる方法と、電荷付与部材２と帯電制御部材３のいずれか一方を静止させた状態で回転させて使用する方法とがあり、いずれの方法も本発明の帯電方法に使用可能である。 また、上記の帯電により形成された静電潜像は、そのプロセスの下流側に配置されている現像器に送られ、ここでは現像器の能力として静電潜像担持体（感光体）の電位が−２００Ｖを越えると現像可能になるように設定されている。
【００１３】
本発明の帯電方法においては、その電圧設定を下記式（Ｉ）の関係を満足するように行うことにより、静電潜像担持体の帯電速度が高くなり、また、帯電の均一性を向上させることができる。
｜Ｖｍｅｓｈ｜≦｜１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）｜ （Ｉ）
式（Ｉ）において、Ｖｍｅｓｈは帯電制御部材の印加電圧であり、Ｖｄｉｓ は電荷付与部材の印加電圧であり、Ｖｔｈは電荷付与部材と帯電制御部材との間の放電開始電圧を意味する。
【００１４】
以下、上記式（Ｉ）の関係について、図面を参酌して説明する。
図３は、本発明に用いる帯電装置と静電潜像担持体を対向して配置し、それらの間に電圧を印加した状態を説明する概略構成図である。静電潜像担持体１は帯電装置の下をプロセススピードｘで周回している。電荷付与部材２の印加電圧を帯電制御部材３の電圧より十分高く設定することにより、電離が生じて電荷の一部が静電潜像担持体に電流として流れる。その電流をＩｃとすると、Ｉｃにより静電潜像担持体の電位が上昇するので帯電制御部材３と静電潜像担持体１の電位差は入口から出口にかけて小さくなる。その電位差が０になるとＩｃの電流は流れなくなるので、静電潜像担持体１の帯電は終了する。
【００１５】
この帯電の状態を理解するために、上記の静電潜像担持体に代えて、電圧を印加したプレートを用いて、次のような実験を行った。
図４は、静電潜像担持体に代えて電圧を印加した金属プレートを、帯電装置に対向させて、その印加電圧と電流を測定する方法を示す概略構成図である。図４に示すように、帯電装置を金属プレートに対向して配置させ、金属プレートの電圧を０Ｖから徐々に上げて行くと、図５のグラフに見られるような金属プレートの電圧−電流特性が得られる。これは、静電潜像担持体を使用する場合と同様であって、金属プレート電圧Ｖｐが帯電制御電圧とほぼ等しくなると、プレート電流Ｉｐは０になる。このことは、この帯電装置は、静電潜像担持体を帯電制御電圧と同じ電位に帯電する能力を有していることを示している。さらに、この電圧−電流特性において、電圧を増減させたときの電流変化の大きさ（その傾き）が大きい程、帯電電位の立ち上がりが速いことを意味する。
【００１６】
一般に、帯電電位φは
φ＝Ｖｍｅｓｈ×（１−Ｅｘｐ（Ｓ×ｔ）／Ｃ） （ＩＩ）
（式中、Ｖｍｅｓｈは帯電制御部材の印加電圧、Ｓは電流−電圧特性の傾きで負の値、Ｃは静電潜像担持体の静電容量、ｔは時間を意味する。）で表されることが知られている。この式（ＩＩ）において、その傾きＳが大きい程、帯電電位が短時間でＶｍｅｓｈに近づくことを意味している。
【００１７】
次に、帯電制御部材の印加電圧（帯電制御電圧）Ｖｍｅｓｈを変えると、プレート電流ＩｐとＶｍｅｓｈとの間には、図６に示されるような関係が見られる。Ｉｐが図６のグラフに見られる２次曲線となるのは、以下の理由による。すなわち、電流ｉは電荷の数密度ｎが電界Ｅの中を移動度μで運動すると、次式（ＩＩＩ） の関係が成立する。なお、ｅは電子の素量の定数である。
ｉ＝ｅ×ｎ×μ×Ｅ （ＩＩＩ）
ここで、電荷は全て電荷付与部材と帯電制御部材の間の空隙で発生し、その電荷量は空隙の電界、すなわち電荷付与部材と帯電制御部材間の電圧差に比例すると考えられるから、次式（ＩＶ）のように表される。
ｎ＝Ａ１×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ−Ｖｍｅｓｈ） （ＩＶ）
このＡ１は、電荷付与部材と帯電制御部材の電極構造に関連する比例定数とその空間で発生した電荷の中で何割が帯電制御部材の外部に出てくるかの抽出比率との積である。次に、一般に、電荷の移動速度はｖ＝μ×Ｅで表されるが、移動度μは一定と見なすと速度ｖは電界Ｅに比例する。また、Ｅは制御電極電圧と静電潜像担持体電圧との差に比例する。ここで、静電潜像担持体の電圧を便宜的に基準値０ボルトとすると、次式（Ｖ）のように表される。
Ｅ＝Ａ２×Ｖｍｅｓｈ （Ｖ）
このＡ２は距離等の電極構造により決まる比例常数である。また、μは気体の温度と電界の関数であるが、電子の場合には電界を変えても大きな変化はないとされているので常数として扱う。
【００１８】
以上のことから、金属プレートに流れる電流値Ｉｐは、次式（ＶＩ）で表わされることになる。
Ｉｐ＝Ａ×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ−Ｖｍｅｓｈ）×Ｖｍｅｓｈ
（式中、Ａはすべての常数を含む定数である。） （ＶＩ）
この式（ＶＩ）から、電流値Ｉｐは、帯電制御部材電圧Ｖｍｅｓｈとは２次関数の関係になり、｜Ｖｍｅｓｈ｜が｜１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）｜以下の値であれば、Ｖｍｅｓｈとともに増加し、他方、｜Ｖｍｅｓｈ｜が｜１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）｜以上の値であればＶｍｅｓｈとともに低下することが分かる。
【００１９】
上記した図５と図６とに示した２つの特性を組み合せることにより、図７に見られるような特性が得られる。
図７は、帯電装置を金属プレートに対向して配置し、電圧印加したときの帯電制御部材電圧と金属プレート電流との関係と、金属プレート電圧と金属プレート電流との関係とを併せて示すグラフであり、その具体例として、電気抵抗が１０^７ Ω・ｃｍの導電性ゴム電極を電荷付与部材とし、また、厚さ５０μｍで開口率８５％の金属メッシュからなる帯電制御部材を電荷付与部材との間隔が５０μｍとなるように配置した帯電装置を用いて実験した結果を示すものである。さらに、金属メッシュと金属プレートとの間隔は５０μｍである。
【００２０】
図７におけるＡ点は、帯電制御部材電圧が−３００Ｖであり、プレート電流Ｉｐが−０．１３μＡ／ｃｍ^２ のときの電流−電圧特性である。この条件では、プレート電圧Ｖｐを増加させると電流は曲線Ａに沿って低下しＶｍｅｓｈが−３００Ｖで０となった。この曲線Ａの電流−電圧特性の傾きは、平均−４．３μＡ／Ｖ／ｍ^２ であった。一方、図７には、ＩｐがＡと同値のＡ′点がある。このＡ′の帯電制御部材電圧は−８２０Ｖであり、金属プレート電圧を増加させて行くと電流−電圧特性は曲線Ａ′となった。この曲線の平均傾斜度は−１．５９μＡ／Ｖ／ｍ^２ であった。
次に、Ａ点の動作条件で負帯電性の有機感光体を帯電させて、これを現像したところでは均一な画像が得られたが、Ａ′点の動作条件で帯電させて画像を作成したところ、画像形成の進行方向に濃度ムラ及び筋が発生していた。
【００２１】
また、静電容量Ｃが１μＦ／ｍ^２ の静電潜像担持体を帯電する際には、充電の時定数はＳ／Ｃの絶対値で示されるから、Ａ点とＡ′点の各動作条件における時定数を計算すると、Ａ点では０．２３秒となり、Ａ′点では０．６３秒となる。静電潜像担持体のプロセス速度３０ｍｍ／秒及び帯電装置の進行方向の幅を８ｍｍにすると、感光体が帯電装置を通過するのに０．２７秒であるからＡ点の動作条件では電位が飽和するのに対し、Ａ′点の動作条件では飽和電位に到達しない。
静電潜像担持体が帯電装置の下を通過する間に電位が飽和に到達できることは、放電が不均一であっても均一に帯電させることができるという利点があることを意味している。これは、高い電流値は早めに飽和値に収束し、低い電流値は通過時間内に電位が十分に飽和して、電流値のバラツキがあっても電位は均一になることを示す。
【００２２】
一方、Ａ′点のように時定数が大きい場合には、放電の不均一性がそのまま帯電電位の不均一性として現れるために、電流値を一定にするのではなくて帯電制御部材の電圧を制御する。その帯電制御部材の電圧として、図７において電流−電圧特性の電圧（絶対値）を１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）より小さい範囲で行うことが、時定数を小さくして使用できるから有効である。これは、金属プレートを流れる電流の印加電圧に対する傾き（傾斜度）を小さくして使用できる範囲にあるからである。
【００２３】
実施例１
帯電には、静電容量が１．０μＦ／ｍ^２ の感光体を使用し、プロセススピード２５ｍｍ／秒で電圧を印加した。電荷付与部材への印加電圧（Ｖｄｉｓ ）を−４０００Ｖにして、帯電制御部材の印加電圧（Ｖｍｅｓｈ）の絶対値を０Ｖから上昇させて行き、その電圧が−２００Ｖを越えると現像が開始されて−１６５０Ｖ迄の間は殆ど均一な現像剤像が得られた。
さらに、Ｖｍｅｓｈを高くすると、得られた画像には、その形成方向に筋や帯が出現し、−２０００Ｖを越えると画像として全く使用できないものとなった。このときのＶｔｈは約−６５０Ｖであったため、実施例１において式（Ｉ）から求められるＶｍｅｓｈは−１６７５Ｖである。したがって、実際に印加するＶｍｅｓｈが−１５００Ｖ程度までは均一な画像が得られる。しかし、Ｖｍｅｓｈが−１６７５Ｖを越えて−２０００Ｖにもなると不均一な画像となる。
【００２４】
実施例２
実施例１と同様の装置を用いて、Ｖｄｉｓ を−５０００Ｖに固定し、Ｖｍｅｓｈを変化させるように操作した。Ｖｍｅｓｈが−２００Ｖから−２１５０Ｖ程度までは均一な現像画像が得られた。
しかし、Ｖｍｅｓｈが−２２００Ｖを越えると、得られる画像には筋や帯の発生が観察された。これをＶｄｉｓ が−４０００Ｖの場合と比較すると、均一帯電の可能範囲が拡大するが、Ｖｍｅｓｈが１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）以下の場合に比べて、１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）以上では帯電の均一性が低下していた。
このときのＶｔｈは約−６５０Ｖであったため、実施例２において式（Ｉ）から求められるＶｍｅｓｈは−２１７５Ｖである。したがって、実際に印加するＶｍｅｓｈが−２１５０Ｖまでは均一な画像が得られる。しかし、Ｖｍｅｓｈが−２１７５Ｖを越えて−２２００Ｖにもなると不均一な画像となる。
【００２５】
実施例３
実施例１と同様の装置を用いて、電荷付与部材と電荷制御部材の間隔を２００μｍにした。また、Ｖｄｉｓ を−４０００Ｖとし、Ｖｍｅｓｈを０Ｖから増加させたところ、Ｖｍｅｓｈが−１２００Ｖまでは均一な現像画像が得られた。しかし、Ｖｍｅｓｈをさらに増加させると、画像の均一性が失われるようになった。
【００２６】
電荷付与部材と電荷制御部材の間隔が２００μｍであると、放電開始電圧は１５００Ｖであることが実験から求められた。したがって、式（Ｉ）から得られるＶｍｅｓｈの値は、−１２５０Ｖとなり、帯電の均一性は式（Ｉ）の関係を満たしていた。このように、電極間の間隔が変化しても、式（Ｉ）の関係を満たす場合には帯電の均一性について良好な結果が得られることが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の帯電方法は、帯電装置を用いて静電潜像担持体上に静電潜像を形成させる際に、帯電制御部材の印加電圧の絶対値を１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）以下に制御することにより、帯電電位の収束速度が速い電圧領域で動作することが可能となり、したがって、帯電の均一性が確保されるから長期に亘って均一な画像が安定して得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電潜像担持体を帯電する方法の一例を示す概略構成図である。
【図２】静電潜像担持体に電圧を印加することにより空気の電離が生じるメカニズムを説明する概念図である。
【図３】本発明に用いる帯電装置と静電潜像担持体を対向して配置し、それらの間に電圧を印加する状態を説明する概略構成図である。
【図４】電圧を印加した金属プレートを帯電装置に対向させて、印加電圧と電流を測定する方法を示す概略構成図である。
【図５】図４の方法で測定した金属プレートの電圧と電流の関係を示すグラフである。
【図６】図４の方法で測定した帯電制御部材電圧と金属プレートの電流との関係を示すグラフである。
【図７】図４の方法で測定した帯電制御部材電圧及び金属プレート電圧と金属プレート電流との関係を同時に示すグラフである。
【図８】本発明に用いる帯電装置のメッシュ状帯電制御部材の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…静電潜像担持体、２…電荷付与部材、３…帯電制御部材、４…放電用電源、５…帯電制御用電源。

Claims (1)

1. 表面に絶縁層または光半導体層を有する静電潜像担持体に、近接して対向するように配置された帯電装置であって、前記静電潜像担持体との間に電界を生じさせる電荷付与部材及びその電荷付与部材と前記静電潜像担持体との間に電位が付与されることにより電界内で生じる放電の電離領域を制限する帯電制御部材を有する帯電装置を用いて、前記静電潜像担持体に電荷を付与する帯電方法において、電荷付与部材の印加電圧（Ｖｄｉｓ ）、帯電制御部材の印加電圧（Ｖｍｅｓｈ）及び電荷付与部材と帯電制御部材との間の放電開始電圧（Ｖｔｈ）とは、次式（Ｉ）
   ｜Ｖｍｅｓｈ｜≦｜１／２×（Ｖｄｉｓ −Ｖｔｈ）｜ （Ｉ）
   の関係を満たすように印加電圧を制御することを特徴とする帯電方法。

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