JP3715350B2

JP3715350B2 - 表面に電荷を蓄えるための装置及び方法

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Publication number: JP3715350B2
Application number: JP19561395A
Authority: JP
Inventors: クリストファー・スネリング
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 2005-11-09
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、主として、ゼログラフィ、または、乾式コピーの再生システムに用いられる誘電体材料に帯電する装置に関するものであり、とりわけ、表面電荷を発生して、光伝導性ベルト、ウェブ、または、ドラムのような、伝導性バッキングを備えた誘電媒体に蓄えるための帯電部材に関するものである。
【０００２】
静電複写式再生装置の場合、光イメージの形成前に、帯電電位で適合する光伝導性または再生表面に帯電する必要がある。Carlsonの発明による光伝導性絶縁体に対して静電電荷または帯電電位を印加するための、各種手段が提案されている。動作方法の１つでは、光伝導性絶縁層の帯電のため、一種のコロナ放電が用いられ、高電位に維持された１つ以上の細い導電体から構成される隣接電極によって、光伝導体の隣接表面に電荷が蓄積されることになる。こうしたコロナ放電装置の例については、R.G.Vyverbergに対する米国特許第２，８３６，７２５号、及び、E.C.Giamio,Jr.に対する米国特許第２，９２２，８８３号に記載がある。実際、１つのコロトロン（コロナ放電装置）を利用して、露光前に、光伝導体に帯電し、もう１つのコロトロンを利用して、トナー転写ステップ時に、コピー・シートに帯電することが可能である。コロトロンは、安価で、適合する装置であるが、湿度の変化、及び、帯電される絶縁体の誘電体厚さに敏感である。従って、これらの装置によって生じる表面電荷密度は、必ずしも一定または均一でない可能性がある。
【０００３】
コロトロン帯電システムの代替案として、ローラ帯電システムが開発された。こうしたシステムについては、R.W.Gundlachに対する米国特許第２，９１２，５８６号、E.F.Mayerに対する米国特許第３，０４３，６８４号、R.W.Martel他に対する米国特許第３，３９８，３３６号（誘電体層と帯電ローラ間に、接触させて挿入された２相液体フィルム）、F.W.Sshmidlinに対する米国特許第３，６８４，３６４号、Dolcimascolo他に対する米国特許第３，７０２，４８２号に例示がある。上記先行技術による装置は、接触帯電に関するものである、すなわち、帯電ローラが、例えば、感光体または最終保持（紙）シートといった、帯電される表面と接触するように配置される。
【０００４】
上述の先行技術によるタイプの表面接触帯電ローラは、帯電される表面の移動速度によって制御される回転速度に制限される。換言すると、帯電ローラは、保持部材（それが、光伝導性ドラムであろうと、ベルトであろうと、あるいは、トナーを転写すべき紙のシートであろうと）に接触するので、帯電ローラの表面速度は、帯電可能な保持部材の速度に等しくなければならない。O'Brienに対する米国特許第３，９３５，５１７号には、エネルギ流の強度とイメージ形成表面速度との間における、イメージ形成表面の均一な帯電を実現するのに必要な一般的な関係が開示されている。該特許において、帯電ローラは、イメージ形成表面から間隔をあけて配置され、イメージ形成表面の移動と同期する必要がない。
【０００５】
さらに、これら先行技術による全ての装置において、ローラ材料は、一般に、特定の用途に合わせなければならならないし、帯電可能な保持体に蓄えられる電荷の量は、通常、帯電ローラに加えられる電圧の関数としてしか制御されない。プリ・ニップ絶縁破壊は、ロールの電気特性を適切に選択することによって阻止される。帯電及び転写ローラ構造の誘電緩和時間は、特定のプロセス速度に基づいて規定される。さまざまな動作速度に合わせて帯電ローラ構造の変更が必要になるだけでなく、帯電ローラの緩和時間も、許容可能な範囲内に維持しなければならない。従って、ロール材料の転動汚染による導電率の変化に起因する劣化は、帯電ローラの潜在的故障モードを表している。
【０００６】
さらに、これらの先行技術による装置は、全て、バイアス・ロールに電力供給するため、低電流レベルで高電圧の電源を必要とする。この要件は、通常、高電圧電源を組み込むことによって満たされてきた。これらの高電圧電源は、電子写真式プリンタの全体コスト及び重量を増すことになった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電子写真プリンタの設計、製造、及び、利用において、こうした印刷システムにおける伝統的な高電圧源の費用及び重量を排除する、単純で、比較的安価で、正確な方法を提供することにある。高品質で、比較的安価な電子写真プリンタが増大するにつれて、正確で、安価な転写及び帯電システムを提供する必要性が、さらに強まっている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様の１つによれば、誘電媒体に隣接して配置された、圧電材料から成る外部層を備えるエンドレス・ウェブが設けられており、エンドレス・ウェブの変形に応答して、表面電荷を発生し、誘電媒体に蓄えるようになっている、移動方向に所定の速度で移動する誘電媒体に表面電荷を蓄えるための装置が得られる。
【０００９】
本発明のもう１つの態様によれば、圧電材料からなる外部層を備えたエンドレス・ウェブを設けるステップと、誘電媒体に隣接してエンドレス・ウェブを配置するステップと、エンドレス・ウェブから電界を発生させるステップと、エンドレス・ウェブによる電界から誘電媒体に表面電荷を誘導するステップを含む、移動方向に所定の速度で移動する誘電媒体に表面電荷を蓄えるための方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明において有効な用途であることが分かった再生機械は、感光体ベルト１０を利用するものである。ベルト１０は、矢印１２の方向に移動し、ベルトの順次部分が、その移動経路まわりに配置された各種処理ステーションを順次通過することになる。
【００１１】
ベルト１０は、ストリッピング・ローラ１４、テンション・ローラ１６、アイドル・ローラ１８、及び、駆動ローラ２０まわりを引かれて移動する。駆動ローラ２０は、ベルト・ドライブのような適合する手段によってモータ（不図示）に結合されている。
【００１２】
ベルト１０は、所望のバネ力により、弾性でテンション・ローラ１６をベルト１０に押しつける１対のバネ（不図示）によって張力が維持される。ストリッピング・ローラ１４及びテンション・ローラ１６は、両方とも、回転可能に取り付けられている。これらのローラは、ベルト１０が矢印１２の方向に移動する際、自由に回転するアイドラである。
【００１３】
引き続き、図１３を参照すると、最初に、ベルト１０の一部が、帯電ステーションＡを通過する。帯電ステーションＡにおいて、さらに詳細に後述することになる本発明の帯電部材１１０によって、比較的高いほぼ均一な電位になるまで、感光体ベルト１０が帯電される。
【００１４】
露光ステーションＢにおいて、フラッシュ・ランプ３２の照射を受けるため、もとの文書は、透明プラテン３０上に面を伏せて位置決めされる。もとの文書から反射する光線は、反射されて、レンズ３４に通り、感光体ベルト１０の帯電部分に投射されて、電荷を選択的に消散させる。これによって、もとの文書内に含まれていた情報領域に対応する静電潜像がベルトに記録される。
【００１５】
次に、ベルト１０は、静電潜像を現像ステーションＣまで送る。現像ステーションＣにおいて、現像装置３８は、１つ以上のカラーまたはタイプの現像剤混合物（すなわち、トナー及びキャリヤ粒状剤）を静電潜像に接触させる。静電潜像は、キャリヤ粒状剤からトナー粒子を吸着し、感光体ベルト上にトナー・イメージが形成される。本書で用いられる限りにおいて、トナーは、微細に分割されたドライ・インク及びトナー懸濁液を表している。
【００１６】
ベルト１０は、次に、現像された潜像を転写ステーションＤに送る。転写ステーションＤにおいて、紙のコピー・シートのような保持材料のシートが、ベルト１０の現像された潜像に接触させられる。まず、ベルト１０の潜像にランプ（不図示）による転写前露光を施して、感光体ベルト１０とトナー・イメージの吸着を弱める。次に、やはり、本発明の帯電装置４０によって、適正な電位までコピー・シートに帯電すると、該シートが感光体ベルト１０に付着し、トナー・イメージが、感光体ベルト１０からシートに吸着される。帯電装置４０は、１９９４年７月２７日に本件と同時に提出された、参考までに本書に組み込まれている「SELF BIASING TRANSFER ROLL」と題する同時係属出願第Ｄ／９２６９５号に記載のタイプが望ましい。転写が済むと、ストリッピング・ローラ１４によって、ベルト１０からシートがはがされる。保持材料は、最終基体への転写のため、トナー・イメージを後続の転写ステーションへ搬送する、中間表面または部材とすることも可能である。これらのタイプの表面は、やはり、電荷を保持する性質がある。
【００１７】
保持材料のシートは、異なる量、サイズ、及び、タイプの保持材料を保持することが可能な供給トレイ５０、５２、及び、５４から転写ステーションＤに送られる。転写後、シートは、引き続き矢印６０の方向に進んで、コンベヤ６２に載せられ、定着ステーションＥに送られる。
【００１８】
定着ステーションＥには、転写されたトナー・イメージをシートに永久固着させる、全体が参照番号７０で表示の定着アセンブリが設けられている。定着アセンブリ７０には、トナー・イメージと接触した状態で、加圧によって支持ローラ７４と係合するようになっている、加熱定着ローラ７２が含まれていることが望ましい。こうして、トナー・イメージは、シートに永久固着する。
【００１９】
定着後、定着イメージを有するコピー・シートは、デカーラ７６に通される。シートは、デカーラ７６からシュート７８にガイドされて、キャッチ・トレイ８０または仕上げステーションに送られ、とじ込み、ステープル留め、丁合い等を施されて、オペレータによってコピー機から取り出される。代替案として、シートを両面複写ゲート９２から両面複写トレイ９０に送り、そこからプロセッサ及びコンベヤ５６に戻して、もう１つの面のコピーを受けることも可能である。
【００２０】
残留トナー及び汚染物（今後は、まとめてトナーと呼ぶ）をトナーの逆の電荷にさらすことによって、電荷の分布を狭め、クリーニング・ステーションＦにおいてより有効に除去できるようにするため、粗清浄化装置９４が設けられている。転写後、感光体ベルト１０に残っている残留トナーは、いくつかの周知の再生装置によって、また、後述の構成に従って、再生され、現像ステーションＣに戻されるように企図されているが、非再生オプションの選択も可能である。
【００２１】
上述のように、本発明による再生機は、いくつかの周知の装置のうち任意のものとすることが可能である。特定の処理、用紙取扱い、及び、制御装置には、本発明に影響のない、変更を予測することも可能である。
【００２２】
次に、特に図１を参照すると、図１から明らかなように、ベルト１１０は、引っ張られて、テンション・ローラ１１４及び駆動ローラ１１２のまわりを移動する。駆動ローラ１１２は、ベルト・ドライブのような適合する手段によってモータ（不図示）に結合される。ベルト１１０は、所望のバネ力により、弾性でテンション・ローラ１１４をベルト１１０に押しつける１対のバネ（不図示）によって、張力が維持される。ローラ１１４は、回転可能に取り付けられており、ベルト１０が矢印１６の方向に移動する際、自由に回転する。ベルト１１０は、ＰｅｎｎｗａｌｔＫＴＭ製のＫｙｎａｒ（登録商標）フィルムが望ましい、ポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムのような圧電ポリマー・フィルムの周囲表面層１４から構成される。
【００２３】
ＰＶＤＦ材料は、フィルムをある方向に引き延ばし、大きい電界を印加して、フィルムと垂直な方向に、電気的に分極させることによって形成される。図６の場合、引き伸ばし方向は、「１」で表示され、分極方向は、「３」で表示されている。ＰＶＤＦシートは、歪みが加えられると、変形に比例する内部電界を発生する。
【００２４】
本発明は、「ゼロモルフ」と呼ばれるバイモルフまたはユニモルフ構造を利用している。バイモルフのゼロモルフは、図７に示すように、シートの分極方向が互いに逆で、底部電極だけしかない、互いに積層された２つのＰＶＤＦシート１０２及び１０４から構成される。ユニモルフのゼロモルフは、図８に示すように、厚い基層１０６に積層された単一のＰＶＤＦシートから構成される。基層材料は、曲げることができ、圧電特性を備えていない材料から構成することが可能である。
【００２５】
ベルト１１０は、ローラ１１４まわりで変形するのに十分な伸縮性及び弾性を備えている。ベルト１１０が、ローラ１１４の半径に沿って変形すると、圧電構成要素に歪みが付与されることによって、ベルト１１０の表面に電位が発生する。これにより、ベルト１０とベルト１１０の間に形成されるニップ領域に、電界が発生する。例えば、このギャップにおいて、空気のイオン化が生じると、ベルト１１０によって、ベルト１０に表面電荷が蓄えられる。ベルト１１０が、ローラ１１２及び１１４まわりを移動するにつれて、中性化及びクリーニング・ブラシ１１６が、ベルト１１０の表面をクリーニングし、残留電荷を除去するが、この場合、ベルト１１０は、フラットであり、ローラ１１２及び１１４まわりにおけるベルト１１０の変形以前には、外部電界が存在しない。
【００２６】
また、この解説から明らかなように、所望の電位は、イメージ形成表面と接触するローラ半径に関して適正な直径を選択することによって得られるが、これについては、さらに詳細に後述する。
【００２７】
エア・ギャップの絶縁破壊または入口ニップにおけるイオン化の阻止は、不均一な帯電及び転写を防止するのに重要である。これらの外乱は、一般に、「タイガー・ストライプ」と呼ばれ、ニップの入口ゾーンにおけるエア・ギャップ放電の振動性自己消滅のために発生する。タイガー・ストライプ、すなわち、不均一な帯電の阻止に利用可能な方法は、入口ニップにおける感光体とゼロモルフ表面との間の電位差を制限して、空気絶縁破壊が生じる可能性のあるレベルに接近しないようにすることである。１９７５年にFocal Press社から刊行された、R.M.SchaffertによるELECTROPHOTOGRAPHY第２版の５１４ページに開示されたパッシェン曲線によれば、最低空気絶縁破壊電圧は、約３６０ボルトである。本発明による非同期帯電モードを利用すると、「タイガー・ストライプ」が減少することが分かっている。
【００２８】
図２Ａには、非同期帯電モードの幾何学構成が示されている。帯電される感光体は、右に移動しているが、ゼロモルフ帯電部材は、図示のように、右から左に移動している。図２Ｂには、それぞれ、ニップを通る実線と点線で、感光体とゼロモルフの表面電位が示されている。ゼロモルフの表面電位は、ローラの半径に沿った適正な曲げと中性化によって、当初、例えば、１０００ボルトに設定される。感光体は、７００ボルトまで帯電すると、出口ニップに電位差（１０００−７００）＝３００ボルトが生じるが、これは、空気絶縁破壊の最低値３６０ボルト未満である。入口ニップにおいて、感光体は、当初、０ボルトである。ゼロモルフの表面電位は、ニップを介して、ゼロモルフから感光体に転移した電荷量によって決まる。図２Ａの例は、ゼロモルフの表面電位が３００ボルトまで低下したという想定によるものである。この事例では、やはり、入口ニップにおける電位差（３００−０）＝３００ボルトは、空気絶縁破壊の最低値３６０ボルト未満である。この例の場合、入口エア・ギャップと出口エア・ギャップの両方における感光体とゼロモルフの電位差は、３６０ボルト未満に制限されたので、空気絶縁破壊が阻止された。
【００２９】
予測されるように、ゼロモルフの表面電位の低下と感光体の表面電位の上昇（帯電）との関係は、当初、相対的電気容量、すなわち、
△Ｖｘｍ／△Ｖｐ／ｒ＝（Ｃｐ／ｒ／Ｃｘｍ）Ｋ、
ここで、Ｋ＝速度比（Ｓｘｍ／Ｓｐ／ｒ）
によって決まる。ゼロモルフの相対速度（Ｓｘｍ）及び感光体の相対速度（Ｓｐ／ｒ）によって、ニップを介したゼロモルフと感光体のそれぞれの有効時間積分全容量が決まる。速度比Ｋは、従って、最適な性能を求めて、非同期ゼロモルフ帯電システムを調整するために利用するのに便利なパラメータである。
【００３０】
非同期ゼロモルフ帯電は、下記の実験構成を利用してテストされた。ゼロモルフ装置は、．００３″のニッケル製シームレス・ベルトに結合されて、ユニモルフ構造を形成する、１１０μ厚の分極ＰＶＤＦＫｙｎａｒ（登録商標）圧電フィルムから構成された。シームレス・ベルトは、モータを備えた２つのロール固定具に取り付けられた。導電性ブラシによって、フラット・ゾーンのゼロモルフ表面電位が中性化された。帯電ニップにおいて、ロールの上でゼロモルフを曲げることによって、同じ直径の他のロールにおけるＥＳＶ測定によって求めることが可能な値Ｖｘｍの表面電位が発生する。この非同期ゼロモルフ帯電実験では、代用感光体として、アルミ・メッキした．００１″マイラーが利用された。
【００３１】
図３Ａには、この装置によって発生した実験データが示されている。速度比が増すにつれて、．００１″マイラーは、７００ボルトに近い表面電位値まで帯電された。この実験においては、マイラーの表面電位は、３〜４のオーダの速度比Ｋで、７００ボルトの値に漸近したようである。
【００３２】
図３Ｂには、．００１″マイラーの代わりに、感光体ベルトを用いて発生したデータが示されている。やはり、帯電は、漸近するように思われる。３〜４のオーダの速度比でほぼ等しくなった約−９００ボルトの表面電位は、後続のゼログラフィによるイメージ形成に適した値である。
【００３３】
図４には、本発明のもう１つの実施例が示されている。この実施例には、ニップ前の絶縁破壊に起因する不均一性を阻止するためのもう１つの方法が開示されている。この方法は、空気絶縁破壊がニップ後領域でしか起こり得ないことを保証するやり方で、ニップ領域を通る電界の大きさを制御する（調整する）ことである。
【００３４】
図５には、図４に示すゼロモルフ・ベルトの制御された曲げによるゼロモルフ表面電位が示されている。ゼロモルフの表面電位は、その曲げの半径と反比例の関係にあるので（これについては、さらに詳細に後述する）、ゼロモルフ・ベルトの表面電位Ｖｘは、図５に含まれるプロットに示す位値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及び、Ｆにおいて予測可能である。この例に関して、ゼロモルフ構造は、曲げられて、半径が減少すると、正の表面電位が増大するものと仮定された。
【００３５】
次に、図５を参照する。
【００３６】
位置Ａにおいて、中性化及びクリーニング・ブラシによって、開始Ｖｘ＝０ボルトが設定される。
【００３７】
位置Ｂにおいて、Ｒ（曲率半径）は、変化がなく、従って、Ｖｘ＝０ボルト。
【００３８】
位置Ｃ及びＤにおいて、半径Ｒは、極めて大きく、Ｖｘ＜＜０ボルトになる（すなわち、Ｖｘ＝負の極性）。
【００３９】
ステージＥにおいて、ゼロモルフ・ベルトは、曲げられて、半径が小さくなり、Ｖｘ（α１／Ｒ）が大きい正の値になる。小さいが、増大するニップ後ギャップに関して、Ｖｘが、絶縁破壊電圧を超えると、空気絶縁破壊によって、電荷△ｑがゼロモルフ表面から感光体表面に有効に転移して、ＶｘがＶｔに低下する（放電によって、該ギャップに関する電圧が持続する）。図５に示すように、ゼロモルフの放電と感光体の帯電の電圧値は、等しい。これが生じるのは、それらの電気容量が等しい場合に限られる。さもなければ、Ｖｐ／ｒ＝（Ｃｘ／Ｃｐ）△Ｖｘとなるが、ここで、Ｃｘ＝ゼロモルフの容量、Ｃｐ＝感光体の容量。
【００４０】
位置Ｆにおいて、半径は、やはり大きい（Ｃ及びＤと同様）。Ｖｘが、絶縁破壊電圧を超えなければ、Ｖｘ＝Ｃ及びＤにおけるＶ。絶縁破壊が生じると、Ｖｘは、同じ値だけ負になる（△Ｖｘ）ので、ゼロモルフ表面電位は、空気絶縁破壊放電△ｑの結果として、低下する。
【００４１】
位置Ａにおいて（再び）、中性化ブラシによって、Ｖｘ＝０ボルトが再設定される。Ｐ／Ｒ（感光体）の空気絶縁破壊による帯電が生じると、アースからの電流が、感光体表面に転移した電荷△ｑに取って代わることになる。
【００４２】
主たる構成要素の構成及び配列を考慮することにより、今や、その動作に関する説明から本発明の完全な理解が得られるものと確信する。理論によって制限されることを望むものではないが、本発明の主たる構成要素は、下記モデルに基づいて機能するものと考えられる。
【００４３】
最高の電圧及び電界が生じるのは、図９に示すように、能動圧電層の底面が接地される場合である。
【００４４】
上方接地面は、該層の上方にかなり離れて位置しているので、表面上の電界は、無視することができる。これは、静電電圧計で表面電位を測定する場合に生じる状況であり、外部電界を中性化するためにフィードバック制御される。該モデルは、フィルムの表面が、バルクのように帯電されていないという想定によるものである。
【００４５】
残りの唯一の静電界源は、下記に示すように、曲げると材料に生じる分極ということになる。
Ｄ＝εＥ＋Ｐ
【００４６】
フィルム内のスペースの電荷は、ゼロのため、
▽・Ｄ＝ｐ＝０
従って、フィルム内は、
Ｄ＝一定
フィルムの表面には、電荷がなく、従って、Ｄベクトルは、界面全体にわたって連続し、
Ｄａ＝Ｄｂ
Ｅ電界（従って、Ｄ電界）は、エア・ギャップ内においてゼロのため、
Ｄｂ＝εＥｂ（ｚ）＋Ｐ（ｚ）＝０
【００４７】
層中のＥ電界は、下記によって表される。
【数１】

【００４８】
層内のＥ電界は、局所歪みによって左右されるＰとともに変化するので、均一にはならない。層の上部における表面電位は、ｚ＝０のアースからｚ＝ｂの表面までのＥ電界を積分し、下記のように圧電層の開回路電圧を表すか、
【数２】

【００４９】
あるいは、圧電係数及び歪みに関して下記のように表すことによって、求めることが可能である。
【数３】

【００５０】
従って、開回路電圧の計算が可能になる前に、歪み分布を求める必要がある。
【００５１】
シートを曲げると、シートの外側表面が長くなり、内側表面は短くなる。
【００５２】
長さに変化を生じない、シート内のある部分は、中性レベルである。Ｋｙｎａｒ（登録商標）の単一シートのように均一な材料の場合、中性位置は、図７に示すように中央に位置することになる。歪みは、
【数４】

によって定義される。
【００５３】
中性軸に沿って、長さに変化はないので、角度θの円弧の場合、
引き伸ばされていない長さ＝Ｒθ
ここで、Ｒは、中性軸の曲率半径である。中性軸から離れると、長さは下記によって表される。
引き伸ばされた長さ＝（Ｒ＋ｚ）θ
ここで、ｚは、中性軸から測定した距離である。この結果を歪みの定義に代入すると、下記のようになる。
【数５】

【００５４】
歪みは、中性軸に沿ってゼロであり、層の上部及び底部（ｚ＝±ｂ／２）において最大値になる。これらの位置における歪みの値は、次の通りである。
【数６】

【００５５】
この値は、材料の破壊または降伏前における材料の変形に対する制限を設定するので、実際に設計する上で重要である。Ｋｙｎａｒ（登録商標）は、２５〜４０％延びると破損することが分かっているので、装置の耐用期間における機械的劣化、亀裂等を阻止するため、歪みは、それよりかなり低いレベルに保持することが望ましい。例えば、歪みに対する実際の制限を１％とすることが可能である。
【００５６】
ただし、より一般的な電源とは異なり、電圧は、外部制御装置ではなく、フィルムの曲げ歪みによって設定される。歪みに関する実際の制限は、フィルム厚とローラ半径の両方によって制御される。例えば、１％の歪みの場合、
【数７】

【００５７】
従って、０．１ｍｍのバイモルフ・フィルムは、半径が
Ｒ＝５ｍｍ
のローラに沿って曲げられると、１％の歪みレベルに達する。
【００５８】
ローラの半径がもっと長ければ、電界がその限界未満になり、半径がもっと短ければ、引き伸ばされて、層の劣化を生じる可能性がある。より大きいローラを利用しなければならない場合、所望の電界を得るには、二層をより厚くしなければならないし、同時に、機械的設計に注意して、ベルトが、過度の歪みを生じるより急な湾曲部を通ることがないように保証しなければならない。
【００５９】
歪みに関する下記の式は、Ｒ、すなわち、中性層の曲率半径に関して書かれている。実際、この距離は、ローラ及び層自体の厚さの寄与するところによって成り立っている。中性層の半径は、
Ｒ＝Ｒ_r＋ｂ／２
であり、ここで、ｂは、ベルトの厚さ、Ｒｒは、ローラの半径である。２つの半径は、下記によって関連づけられる。
【数８】

【００６０】
この例の場合、歪み制限は、〜１％であり、これは、ｂ／２Ｒも１％のオーダであることを表している。これは、わずかな差であるので、無視することが可能である。それが重要になるのは、より大きい歪みが許容される場合に限られる。例えば、
【数９】

【００６１】
ゼロモルフ（バイモルフ）に発生する表面電位は、下記の特徴がある。
【００６２】
バイモルフのゼロモルフ積層シートを曲げると、外側の層の正の歪みによって、正電圧が生じ、また、分極の反転により、内側の層の負の歪みによって、やはり、正の電圧が生じる。
【００６３】
該環境において生じる表面電位は、層の一方に生じる電位の２倍である。
【００６４】
曲げにおける歪みに関する下記の式を
【数１０】

電圧積分に利用すると、バイモルフの開回路電圧は、次のようになる。
【数１１】

【００６５】
これらの式は、バイモルフに実施されたテストで得られた実験結果と比較することが可能である。フィルムは、２枚の４ミルのＫｙｎａｒ（登録商標）シートを背面どうしで結合して、０．２２ｍｍの全体厚が得られるようにして、製造された。次に、積層シートを異なる直径の円形に沿って曲げ、静電電圧計を用いて、表面電位が測定された。このテストで得られた測定値が、表１にリスト・アップされている。
【表１】

【００６６】
実験での構造から厚さと曲率の両方とも分かっているので、圧電係数ｈが分かれば、モデルによって予測される開回路電圧を計算することが可能になる。ｈの適正値は、Pennwaltのパンフレット「Kynar Piezo Film」、及び、技術マニュアル「Kynar Piezo Film」にリスト・アップされた特性から計算された。予測可能な最大値及び最小値は、次のように表された。
ｈ_min＝２６１Ｖ／μｍ
ｈ_max＝７７０Ｖ／μｍ
モデルの電圧予測は、曲率の関数として、測定値とともに、図１０に示された限界の両方について作図された。
【００６７】
表面電位の実験測定値は、電位の値と材料の基本特性の関連付けが可能であることを表した、モデル予測によって一括されている。測定電圧から、圧電係数ｈの見掛け値が、３つのデータ・ポイントを当てはめて、中央の曲線を生成することによって求められた。この曲線は、データ・ポイントのそれぞれに極めて接近して通っているが、このことは、さらに、電圧の予測が曲率半径に基づくことを表している。結果は一致するので、当てはめられた曲線から取り出された、ｈの見掛け値は、下記のモデリングに利用される。この当てはめられた値は、
ｈ_fit＝４３１Ｖ／μｍ
【００６８】
表面電位は、簡単に測定され、効果の大きさを示すものとして役立つが、応用設計にとって最も有効な量ではない。例えば、転写ステーションにおいて、トナーを用紙に付着させるには、エア・ギャップに強い電界が必要になる。同様に、現像ニップにおいて、プロセスを仕上げるには、電界が強くなければならない。従来の誘電ウェブの場合、電界が、誘電体の表面電荷によって生じるので、表面電位とギャップの電界は、正比例の関係にある。しかし、圧電ウェブでは、電界がバルク材料の分極によって生じ、また、場所によって変動するので、これは、当てはまらない。エア・ギャップのＥ電界は、必要とされる構造に関する基本的な静電関係から計算しなければならない。
【００６９】
典型的な構造には、図１１に示すように、片側が接地され、もう片側のエア・ギャップの幅が有限の圧電層が含まれる。
【００７０】
圧電層の深さはｂであり、エア層の厚さは、ａである。前述のように、表面電荷とバルク電荷は、両方とも、ゼロと仮定されるので、Ｄベクトルは両方の層とも均一であり、互いに等しい。しかし、この場合、Ｅ電界は、空気中に消失しない。ギャップにおけるＤ電界の値は、下記の通りである。
Ｄ＝ε₀Ｅ_a＝εＥ_b＋Ｐ
これは、下記のように圧電層の電界に関して解くことが可能である。
【数１２】

【００７１】
エア層の上方及び圧電層の下方には、接地された電極があるので、両方の層間における正味の電圧降下は、消失しなければならない。
【数１３】

【００７２】
Ｅ_bに関する式を代入するか、
あるいは、表面電位の定義を利用すると、次のようになる。
【数１４】

【００７３】
下記の式を呼び戻すと、
【数１５】

【００７４】
曲げられた圧電層の上方のエア・ギャップにおける電界に関する結果は、次のようになる。
【数１６】

【００７５】
バイモルフに関する表面電位は、これまでに計算されている。すなわち、
【数１７】

【００７６】
これをエア・ギャップのＥ電界に関する式に代入すると、次のようになる。
【数１８】

【００７７】
この式から明らかなように、電界が最も強くなるのは、エア・ギャップａが、圧電層の誘電体厚に比べて狭くなる場合である。この場合、すなわち、ａ＜＜ｂ／ｋ_bの場合、エア・ギャップの電界は、次のようになる。
【数１９】

【００７８】
エア・ギャップが狭くなるにつれて、電界は無限に増大するのではなく、有限値に達する。
【００７９】
電界に関する式の第２項は、弾性歪みであるが、これは、圧電層の破壊点未満の値に制限される。Ｋｙｎａｒ（登録商標）の場合、２５〜４０％の破壊歪みを安全に下回るのは、１％の歪みであると仮定された。所定の用途において許容される最大歪みをＳ_maxで表すことにする。狭いエア・ギャップで発生し得る最大電界は、次の通りである。
【数２０】

【００８０】
先行例におけるように、下記のパラメータを想定する。
Ｓ_max＝．０１
ｈ＝４３１×１０６Ｖ／ｍ
ｋ＝１２
こうした環境において、エア・ギャップ内のＥ電界は、下記の強さになる。
Ｅ_a,max＝５１．７Ｖ／μｍ
これは、極めて狭いギャップにおける空気の絶縁破壊電界（６８Ｖ／μｍ）に比べてわずかに弱く、広いギャップの絶縁破壊電界（３Ｖ／μｍ）に比べるとはるかに強い。従って、曲がった圧電フィルムの次の狭いギャップは、１％の歪みであっても、静電コピー機において用いられる電流電源とほぼ同じ強さの電界にさらされる。これによって明らかなように、現在得られる材料によって、転写及び現像のようなサブシステムにおける従来の大部分の高電圧源に取って代わる電界を発生させることが可能である。
【００８１】
ローラ半径を適正に選択すれば、所定の厚さのバイモルフで、最大出力を得ることが可能である。しかし、多くの場合、ローラ半径は制御されない。半径が長くなりすぎると、出力は、最大値未満まで低下する。
【００８２】
ユニモルフのゼロモルフの場合、図８に示すように、ベルトの全厚は、ｂで表される。曲げの外側における能動圧電層の厚さは、ｂａによって表される。この層は、その上方の空気に対して開放されており、基層に積層されるポイントで接地されている。接地面は、基層の下に配置することができるが、これによって、出力はかなり低くなる。
【００８３】
この構成によって生じる開回路電圧は、バイモルフのゼロモルフの場合と同じ公式によって表されるが、積分は、能動領域に関して評価されるだけであり、ベルト全体に関してではない。
【数２１】

【００８４】
能動領域は、積層の上部の能動圧電層の厚さにわたって延びているだけであり、積分は、先行例の場合と同じ歪みを利用すると、次のようになる。
【数２２】

【００８５】
能動層がフィルムの全体に延びる（ｂ_a＝ｂ）特殊事例の場合、これによって、予測通り、Ｖ₀＝０の開回路電圧が得られる。能動層が途中ｂ_z＝ｂ／２まで延びている場合、電圧は降下して、次のようになる。
【数２３】

【００８６】
これは、前に得られた全ゼロモルフ（バイモルフ）電圧の半分である。
【００８７】
単一能動層または受動基層に関する状況をゼロモルフ（バイモルフ）と比較するため、開回路電圧をゼロモルフ（バイモルフ）によって得られる基準値に対して正規化するのが有効である。該電圧は、次のように書き直すことが可能である。
【数２４】

【００８８】
この電圧の最高値は、１／２Ｖ₀であり、能動層がベルト全体の１／２の厚さである場合に生じる。従って、同じベルト厚の場合、この構成では、必ず、バイモルフより低い出力電圧を生じることになる。ゼロモルフ（ユニモルフ）の有利な特徴によって、後述のように、主として、直径の大きいローラに対する強い電界が許容されることになる。
【００８９】
測定は、Ｋｙｎａｒ（登録商標）フィルム及びプラスチック・シムストックである基層についてさまざまな厚さを利用し、ユニモルフ構造の表面電位について実施された。これら２つの層は、積層され、半径０．９３７５インチ（２３．８ｍｍ）のＰＶＣ管材に沿って曲げられた。表２には、テスト結果の要約が示されている。
【表２】

【００９０】
このモデルによる予測電圧は、バイモルフに関する測定で得られたｈの当てはめ値（４３２Ｖ／μｍ）を利用して計算された。管材の半径ではなく、中性層の実際の半径を利用して、曲率半径Ｒが計算された。測定電圧と予測電圧の比較が、図１２に示されている。
【００９１】
完全な一致が得られれば、実験ポイントは、全て、対角線上に位置することになる。実際の測定値は、対角線を一括しており、平均すれば、モデルが正しい電圧を予測していることになる。従って、ユニモルフも、バイモルフも、両方とも、このモデルによって十分に明らかになるものと思われる。
【００９２】
ギャップの電界は、バイモルフの場合と同じやり方で計算される。接地面は、能動層の底部に位置するので、受動基層が、下記の式によって表されるエア・ギャップの電界に影響することはない。
【数２５】

【００９３】
能動層の開回路電圧に関する値を代入する。
【数２６】

【００９４】
ゼロモルフ（バイモルフ）の場合と同様、エア・ギャップにおける最大電界が生じるのは、エア・ギャップが、能動層の誘電体厚よりはるかに狭い場合である。この最適なエア・ギャップの電界は、次の通りである。
【数２７】

【００９５】
この電界は、能動層において許容可能な歪みによって、下記の値に制限される。
【数２８】

【００９６】
ゼロモルフ（ユニモルフ）構成の有効性の一例として、半径１００ｍｍのローラ（ローラの直径が約８インチ）について考えてみる。前のように、表面における最大歪みを１％とみなすと、ベルト厚は、下記の式からｂ＝２ｍｍとして求められる。
【数２９】

【００９７】
これは、通常、数ミルの寸法で供給される圧電フィルムに比べるとかなり厚めである。受動基層の上に薄い圧電フィルムを取り付けると、バイモルフに比べて高い性能を得ることができる。例えば、４ミルの圧電フィルム（ｂ_a＝０．１ｍｍ）がたわみ基層に取り付けられ、全厚が、最大許容歪みに必要とされる２ｍｍになる場合について考えてみる。この例は、次の通りである。
【数３０】

【００９８】
最大エア・ギャップ電界は、次の通りである。
Ｅ_max＝０．９５ｈｋ_bＳ_max
【００９９】
同じ条件で、バイモルフ構造によって、１／２の係数の最大電界が得られるので、ユニモルフによって、実際には、バイモルフの出力の２倍の出力が生じ、より大きい半径を回ることになる。前と同じ値の圧電定数及び誘電率と、最大歪みを利用すると（Ｓ_max＝．０１，ｈ＝４３１×１０⁶Ｖ／ｍ，ｋ＝１２）、
Ｅ_a,max＝９８．３ｖ／μｍ
これは、ギャップが極めて狭い場合でも、空気の絶縁破壊電界をかなり上回ることになる。
【０１００】
要するに、誘電媒体に隣接して配置された、圧電材料から成る外部層を備えるエンドレス・ウェブが設けられており、エンドレス・ウェブの変形に応答して、表面電荷を発生し、誘電媒体に蓄えるようになっている、移動方向に所定の速度で移動する誘電媒体に表面電荷を蓄えるための装置及び方法が得られたことになる。エンドレス・ウェブは、２つのローラまわりを引かれて、外部層が変形する。ゼロモルフ構造の曲げによって生じる電圧及び電界を予測するモデルも得られた。電圧は、厚さ、構造、曲げ半径、及び、材料の特性を表す圧電係数ｈによって決まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の帯電部材を表す図である。
【図２】Ａは幾何学配置の非同期帯電を示す図、Ｂは感光体及び帯電部材の表面の表面電位を示す図である。
【図３】Ａ及びＢは非同期帯電モードを用いて、本発明によって発生した実験データを示す図である。
【図４】本発明のもう１つの実施例を示す図である。
【図５】図４の帯電装置を用いた感光体の電位を示す図である。
【図６】圧電シートの構造を示す図である。
【図７】本発明によって利用されるバイモルフのゼロモルフを示す図である。
【図８】本発明によって利用されるユニモルフのゼロモルフを示す図である。
【図９】圧電電圧発生器の上方のエア・ギャップを示す図である。
【図１０】本発明によって利用されるバイモルフのゼロモルフに関する実験結果を示す図である。
【図１１】片側が接地された圧電層の構造を示す図である。
【図１２】本発明によって利用されるユニモルフのゼロモルフに関する実験結果を示す図である。
【図１３】本発明の典型的な静電写真印刷器の帯電部材を示す図である。
【符号の説明】
１０ベルト、１４ストリッピング・ローラ、１６テンション・ローラ、１８アイドル・ローラ、２０駆動ローラ、３０プラテン、３２フラッシュ・ランプ、３４レンズ、３８現像装置、４０帯電装置、５０供給トレイ、５２供給トレイ、５４供給トレイ、６２コンベヤ、７０定着アセンブリ、７２定着ローラ、７６デカーラ、７８シュート、８０キャッチ・トレイ、９０両面複写トレイ、９２両面複写ゲート、１１０ベルト、１１２駆動ローラ、１１４テンション・ローラ、１１６中性化及びクリーニング・ローラ

Claims

表面に隣接して配置され、圧電外部層が変形するのに応答して、表面に電荷を蓄える、圧電外部層を備えたエンドレス・ウェブから構成される、表面に電荷を蓄えるための装置。
さらに、複数のローラが設けられており、前記エンドレス・ウェブが、前記複数のローラに引っ張られて、前記圧電外部層が変形するように構成されている、請求項１に記載の装置。
圧電外部層を備えたエンドレス・ウェブを設けるステップと、
表面に隣接して、エンドレス・ウェブを位置決めするステップと、
エンドレス・ベルトの外部圧電層を変形させて、表面に電荷を誘導する電界を発生させるステップから構成される、
表面に電荷を蓄える方法。