JP4194766B2

JP4194766B2 - コロナ放電装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP4194766B2
Application number: JP2001004721A
Authority: JP
Inventors: 雅史門永
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: JP2002207348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置に関し、詳しくは像担持体を帯電する帯電手段と、該帯電手段で帯電された像担持体に対して露光により静電潜像を形成する露光手段とを備えた画像形成装置における帯電手段等の用いることができるコロナ放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来コロナ放電式の帯電器としては、ワイヤ放電方式（コロトロン、スコロトロン等）とピン放電方式（ピン電極型、鋸歯状電極型等）に大別される。後者は低オゾン発生のため近年電子写真複写機、プリンタ等でも使用されるようになってきた。特に、一枚の薄い板状部材に複数の鋸歯状の電極部を設けた電極板を用いた構造の帯電器が特開昭６３−１５２７２号公報や特開平５−４５９９９号公報等によって開示されている。
【０００３】
前者のワイヤ放電方式では、課題の一つに放電生成物、特にオゾンＮＯｘの発生量低減が挙げられる。オゾンは強い酸化力を持っており、大量になると人体への有害が懸念される。そのため、ドイツＢｌｕｅＡｎｇｅｌＭａｒｋ（ＢＡＭ）規制では、機外排出濃度が制限されており、実機搭載にはオゾンフィルタが必須である。これはコスト増大、装置の複雑化をまねき、また気流設計が必要といった課題が発生する。また、さらにオゾンの強い酸化力による部品劣化等の問題がある。
【０００４】
ＮＯｘに関しては、感光体にアンモニウム塩（硝酸アンモニウム）として付着し、異常画像の原因となる。硝酸アンモニウムは常温常湿では絶縁体であるが、高温高湿になると吸水し低抵抗となる。表面抵抗が低下するため、潜像が乱され画像流れとよばれる異常画像を引き起こす。
【０００５】
このような理由から、ワイヤ方式ではオゾン、ＮＯｘ発生量低減が望まれている。さらに非常に細いワイヤ（５０〜１００μｍ）を用いているため、ワイヤ交換時、クリーニング時に切断しやすく、寿命が短い、取扱いが困難といった課題が挙げられる。また切断すると、ワイヤ張り替えを行わなければならないが、取扱いが難しく、張り替えに熟練技術を要する。さらに、ワイヤが細くて見落としやすいため、誤って落とした場合に紛失しやすい。
【０００６】
一方、後者の鋸歯電極方式の場合、放電電極の曲率半径が小さいためにオゾン発生量が少ないことが知られている。しかしながら、長時間放電させると、経時によって曲率半径が大きくなり、放電が不安定となったり、放電しなくなったりする。放電しても、オゾン、ＮＯＸ発生量が増加し、鋸歯の効果がなくなるといった不具合がある。トナーや紙粉、炭酸カルシウムが電極に付着することで、放電が停止するといった問題もある。また汚れた場合には、鋭利な電極であるためクリーニングが困難である。さらに電極が鋭利であるため、電極交換時にサービスマンやユーザが怪我をしやすいといった問題が指摘されている。
【０００７】
そこで本発明は、コロナ帯電器として用いた場合に交換が容易で、ワイヤに比べて切れにくく、放電生成物（オゾン、ＮＯｘ）発生量を低減し、装置寿命の長いコロナ放電装置を提供することを目的とする。またクリーニングが容易な電極構成とすることで、帯電器として用いた場合により長寿命なコロナ放電装置を提供することを目的とする。さらにこのようなコロナ放電装置を用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るコロナ放電装置は、上記目的を達成するために、板状の金属電極の周囲を誘電体で覆い、上記金属電極の端縁を覆う上記誘電体の側面にスポット状の孔あるいは細いスリットを設け、上記金属電極の端縁の一部を外部に露出させて放電電極とし、上記金属電極の幅広の面が被帯電体と対向するように配置してなることを特徴とする。
【０００９】
同請求項２に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１のコロナ放電装置において、上記金属電極が、高融点材料からなることを特徴とする。
【００１０】
同請求項３に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１または２のコロナ放電装置を、帯電器として用いたことを特徴とする。
【００１１】
同請求項４に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１または２のコロナ放電装置を、除電器として用いたことを特徴とする。
【００１２】
同請求項５に係るものは、上記目的を達成するために、請求項１または２のコロナ放電装置を、転写時の電荷付与装置として用いたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態及び実施例】
以下本発明の実施の形態及び実施例を図面を参照して説明する。
オゾン発生量は、コロナ帯電器のワイヤ径に比例して増加することが知られている。またＮＯｘはワイヤ径３０〜１００μｍの範囲では、ワイヤ径が大きい程、発生量も多いことが知られている。これは、ワイヤ径が大きい程、放電領域の体積が大きくなり、オゾン、ＮＯｘ生成反応確率が増加するからである。よって、放電生成物（オゾン、ＮＯｘ）を減らすには、放電領域を小さくすればよい。しかしながら、単純に放電ワイヤ径を小さくすると、切断しやすく非常にメンテナンスが困難である。本願発明者は、これらの課題に関して検討を加えた結果、ワイヤの代わりに多層構成の放電電極を用いることで、これらの課題が解決できることがわかった。
【００２０】
図１は、本発明のコロナ放電装置に用いる放電電極の一例を示す正面図（Ａ）、斜視図（ＢないしＤ）及び本発明に係るコロナ放電装置の一実施形態を用いた画像形成装置の用部の断面図（Ｅ）である。例えば厚さ２５μｍ、幅２ｍｍのモリブデン等からなる板状電極１の上、下両面に、例えば厚さ５０μｍのポリイミドテープ等からなる誘電体２、３を貼り付けた構成である。ここで上面、下面とは、板状電極１を構成するモリブデン板の６つの面のうちで面積の大きい面（２つ）のことである。大気に露出する部分のみが重要であり、電極のバルク部分の形状は問題ではない。電極材料を少なくし不要な材料を減らすこと、作成が容易である点を考えると、板電極が最も好適である。
【００２１】
図に示すように、誘電体２、３の幅と板状電極１の幅は同一であり、これによって板状電極１の端面のみが大気に露出した構成となる。ただし、端部は電圧が印加しやすいように板状電極１を露出させる。露出のさせ方は後述するが、図１（ＢないしＤ）のように種々の態様を採ることができる。
【００２２】
このような構成の放電電極１０を、図１（Ｅ）に示すように、金属ケーシング１１内に設置し、高電圧Ｖａを印加することでコロナ放電を発生させる。帯電均一性を得るために、電圧Ｖｇを印加したグリッド電極１２を、放電電極１０と感光体１３間に配置する。ただし感光体１３の線速度、電極構成、極性によっては、グリッド電極１２がなくても均一帯電可能な場合があり、したがってグリッド電極１２は必須ではない。
【００２３】
図２は、上述の放電電極１０の寸法構成を示す側面図である。板状電極１の長手方向の長さをＬ１、上面側の誘電体２の長手方向の長さをＬ２、下面側の誘電体３の長手方向の長さをＬ３としたとき、これらの間にＬ１＞Ｌ２またはＬ１＞Ｌ３の関係を成立させる。このようにすると、電圧印加が容易である。
【００２４】
例えば、図１（Ｂ）、（Ｃ）のように、上面側の誘電体２が短く、端部で板状電極１が露出するようにして、この露出部分に電源からの配線を接続する。なお、板状電極１の厚さが強度的に十分であれば、上記長さの関係がＬ１＞Ｌ２かつＬ１＞Ｌ３であってもよい。すなわち図１（Ｄ）のように上下両側の誘電体２、３をともに短くして板状電極１の上下両側で電極部分が露出する構成となる。ただし、板状電極１が薄い場合には、電極部分のみでは十分な強度が得られないため、図１（Ｂ）、（Ｃ）のように片面には全面に誘電体を設けた方がよい。
【００２５】
図３は本発明に係るコロナ放電装置の放電電極の他の例を示す断面図である。この例では、板状電極１の一の側面を除いて３面が誘電体４で覆ってあり、１面のみが大気に露出した構成となっている。図１（Ｅ）のように用いた場合、放電電流は感光体１３の移動速度が遅い場合には、それほど大きな電流を必要としない。この場合には板状電極１の２面を大気に露出する必要がなく、図３の構成でよい。板状電極１をディッピング等でコーティングし、その後研磨等で一面を露出させて形成できるが、この場合には一面のみの研磨で済み、工程が低減し、コスト的に有利である。
【００２６】
図４は本発明に係るコロナ放電装置の放電電極のさらに他の例を示す断面図（Ａ）、斜視図（Ｂ、Ｃ）である。本例は、板状電極５の周囲を誘電体６で覆い、誘電体６の側面にスポット状の孔７・・・を設け（図４Ｂ）、あるいは誘電体６の側面に細いスリット８を設け（図４Ｃ）、板状電極５のごく一部を大気に露出させに構成である。なお図示は省略してあるが、孔７やスリット８を設けられた面の反対面にも同様に孔やスリットを設けてもよい。これらの例は、放電点が固定されることで、安定した帯電が実現できる。
【００２７】
図５は本発明に係るコロナ放電装置の放電電極のまたさらに他の例を示す断面図（Ａ）、斜視図（Ｂ、Ｃ、Ｄ）である。本例は、円柱状のワイヤ状の電極１５を誘電体１６で覆い、誘電体１６の側面にスポット状の孔１７・・・を設け（図５Ｂ）、あるいは誘電体１６の側面に細いスリット１８を設け（図５Ｃ）、またあるいはスリット１８を端部まで伸ばし（図５Ｄ）、電極１５のごく一部を大気に露出させた構成である。なお図５（Ｃ、Ｄ）のスリット１８の数は、帯電能力と放電安定性から定まり、必ずしも２個ではない。１個または３個以上でもよい。
【００２８】
なお図４、図５の例では、電圧を印加するための電極を設けていないが、実際には長手方向端部には、図１（Ｂ）〜（Ｄ）に示したように電圧印加用に電極を露出させておく。
【００２９】
図６（Ａ）は、図１の放電電極を用いてコロナ放電を行った場合の、放電点を観察した結果を示す図である。１辺に約３５個の放電光２０が千鳥状にならんでいる。なお図６（Ａ）は放電電極１の一部の放電光２０を表示している。図６（Ｂ）は、図１の放電電極１の上、下面の誘電体２、３（ポリイミドテープ）がない単純な板状電極を、コロナ電極に用いた場合の放電光２０の様子を示す図である。図６（Ａ）よりも密に放電点が並んでおり、１辺に約６０個の放電光２０が千鳥状に並んでいる。しかしながら、同じ放電電流で比較を行うと、図６（Ｂ）の方が放電光２０が強く光っており、放電領域が大きいと考えられる。図１の電極構成とすることによって、図７（Ａ）のように放電点が形成されるのに対して、誘電体２、３がない場合には図７（Ｂ）のような放電点となり、よって発光が強く観察されると考えられる。すなわち図１〜図５の構成の放電電極であれば、放電領域が小さくなり、従って放電生成物発生量が少なくなる。
【００３０】
放電領域が大気に露出した電極面積に比例すると仮定する。通常のワイヤでの表面積Ｓｗは、感光体１３の長軸方向のワイヤ長さをＬ、ワイヤ半径をｒ、円周率をπとすると、Ｓｗ＝２πｒＬで表される。例えば、長さ３００ｍｍ、直径６０μｍワイヤではｒ＝３０×１０^-6ｍ、Ｌ＝３００×１０^-3ｍとなるため、Ｓｗ＝５．６５２× １０^-5ｍ²となる。
【００３１】
本発明の実施形態での大気に露出した電極面積をＳとすると、Ｓ＜Ｓｗであれば、本発明の効果が期待できる。誘電体を電極の上下両面に貼り付けた形状（図１（Ａ））であれば、１．６８×１０^-5ｍ²となり、Ｓ＜Ｓｗが成立し、本発明の効果が期待される。オゾン、ＮＯｘ発生量が、単純に表面積に比例すると仮定すれば、図１の例では従来の６０μｍワイヤに比べて、１．６８２／５．６５２＝０．２９７で約１／３になる。一方、厚さ２８μｍ、幅２ｍｍ、Ｌ＝３００ｍｍの板電極のみ（誘電体がない場合）であれば、Ｓ＝２× （２８μｍ＋２ｍｍ）×Ｌ＝４．０５６×１０^-3×Ｌ＝１．２１６８×１０^-3ｍ²となり、Ｓ＞Ｓｗであって、本発明の効果は期待できない。
【００３２】
電極の厚さは薄い程、放電領域が小さくなることが予想されるが、薄すぎると電流密度が大きくなり、電極が溶ける恐れがある。本願発明者の行った実験では、２００ｎｍまでは安定に放電することを確認した。またスパッタによる電極の摩耗が懸念される。よって電極は、耐プラズマ性の材料、具体的にはタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）が好適である。
【００３３】
また本発明の実施形態で定電圧で−６ｋＶ印加した場合、放電電流が３００μＡ〜５５０μＡの範囲で大きく変動し、放電点も不安定であることが確認された。これは上下の誘電体が、電離イオンで帯電し、電界が弱まるためと予想される。しかしながら、電流値を一定となるように印加電圧を制御してやると放電点は安定となり、印加電圧も５．９ｋＶ〜６．１ｋＶの範囲であった。
【００３４】
図８は、図１の実施形態装置における放電電極１０の張り方の例を示す断面図である。最も効果的なのは、図８（Ａ）のように平面を帯電面に略平行に配置する張り方である。図８（Ｂ）のように配置すると、感光体１３から遠い辺（図の上側）での放電によってできたイオンは、感光体１３には向かわず、全てがケーシング１１に流れてしまう。感光体１３に近い辺での放電によって形成されたイオンのみが、帯電に寄与することになり、放電点間隔が広い場合には、帯電ムラが発生しやすい。また感光体１３の線速度（移動速度）が速い場合には、十分な帯電電位が得られなくなる。図８（Ａ）の配置であれば、放電点が千鳥状であるため、放電点間隔が広い場合でも、均一帯電で十分な帯電が得られる。よって放電電極は図８（Ａ）の配置が好適であるといえる。また、図８（Ａ）の構成は、放電ワイヤの場合のダブルワイヤに相当するため、十分な帯電能力が保証され、高速にも対応可能である。
【００３５】
もちろん本発明のコロナ放電装置は、放電器であるため、電子写真方式の複写機やプリンタにおける帯電器として利用できるだけではなく、除電機や転写装置における紙への電荷付与装置としても用いることができる。
【００３６】
以下、いくつかの実施例を説明する。
＜実施例１＞
厚さ２５μｍ、幅２ｍｍ、長さ３５０ｍｍのＭｏ電極上に、厚さ５０μｍのポリイミドテープを張りつけた放電電極を、開口幅２０ｍｍ、高さ１８ｍｍのケーシング部材の中央に配置し、帯電器とした。放電電極と感光体間には、帯電均一性を得るために、通常のスコロトロン帯電器に用いられるグリッド電極を配置した。この帯電器を、流量１０００Ｌ／ｍｉｎのファンを取り付けた、幅２５５ｍｍ、長さ５２０ｍｍ、高さ８０ｍｍのアクリル樹脂容器に入れ、定電流電源を用いて電圧を印加し、ファン出口でオゾン、ＮＯｘ濃度を測定した。測定は２５．５℃、６２％ＲＨ下で実施した。
【００３７】
図９に測定結果を示す。横軸は放電電流、縦軸はオゾン濃度（図９Ａ）とＮＯｘ濃度（図９Ｂ）である。比較のため、直径６０μｍワイヤの結果も示している。図から、本発明の実施例に係る電極では、オゾンで約６０％、ＮＯｘが２０％程度の低減効果があることが確認される。表面積の比較では１／３程度になるとの予測であったが、オゾンは期待通りの結果であった。ＮＯｘは期待ほど低減されていない。これはＮＯｘは、オゾンによる酸化反応が絡んでくるため、単純に放電領域の大きさだけでは議論できないと考えている。
【００３８】
＜実施例２＞
比較のため、実施例１の構成で電極にポリイミドテープを貼り付けないで電極とした場合の結果を図１０に示す。測定は２３℃、８０％ＲＨ下で行った。図６と同様に、比較のために直径６０μｍワイヤでの測定結果も示している。ポリイミドがない場合には、オゾン発生量は６０μｍワイヤよりも多く、ＮＯｘは同等であることが分かる。これより、単純な板電極では効果がなく、電極の上、下面にポリイミドを貼り付けることが重要であることが理解される。
【００３９】
＜実施例３＞
実施例１の構成で、定電流制御（５００μＡ）で１００時間連続放電をさせたところ、初期には電極全体で６５個あった放電点が、実験終了時には４２個になっていた。エタノールを含ませた脱脂綿で電極面をふいたところ、放電点の数はもとに戻り、６４個となった。これは、連続放電によって電極面に付着した放電生成物が、拭き取られて除去されて、初期状態になったと考えられる。一方、放電電極をＡｌにした場合には、３０時間後には電極が溶け切れてしまい、実験不可能となった。また放電光も、やや黄色がかった色をしていた。よって電極材料によって寿命が大きく左右されることがわかる。Ｍｏであれば、クリーニングを併用することで１００時間以上の放電が可能で、均一帯電が実現できる。
【００４０】
＜実施例４＞
実施例１の放電装置を、本願出願人（株式会社リコー）製イマジオＭＦ４５５０（商標）改造機に搭載し、画像形成装置の帯電器として用いた。定電流５００μＡ一定で帯電を行い、現像バイアスを調整することでハーフトーン画像を出力して、画像ムラを見たところ、均一なハーフトーン画像が得られており、帯電が均一であることが確認された。次にワイヤ印加電圧を、定電圧−６ｋＶ一定として、同様の画像出しを行ったところ、黒い雨だれ状の異常画像が発生した。これは放電点が不安定で、帯電していない個所が発生したためと思われる。
【００４１】
＜実施例５＞
実施例１の放電装置で、電極配置を図８（Ａ）、（Ｂ）にした場合の、感光体線速に対する帯電電位を測定した結果を図１１に示す。グリッド印加電圧は−９００Ｖである。図８（Ａ）の構成の場合には、感光体線速４００ｍｍ／ｓでも帯電電位は約−８００Ｖであるのに対し、図８（Ｂ）の配置では、−５５０Ｖまでしか帯電しておらず、帯電能力が不足であることがわかる。実施例４の装置で画像出しを行ったところ、図８（Ｂ）の配置では、線速４００ｍｍ／ｓでは画像に黒い雨だれ状の異常画像が見られており、帯電していない領域があることが確認された。一方図８（Ａ）の配置では、均一なハーフトーン画像が得られていた。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係るコロナ放電装置は、以上説明してきたように、放電電極を誘電体で覆い、一部を露出させた構造であるため、放電領域が極小となり、放電点が固定されることで、安定した帯電が実現でき、放電生成物（オゾン、ＮＯｘ）が非常に少なく、放電点が固定されることで、安定した帯電が実現でき、少ない電極材料で所望の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコロナ放電装置に用いる放電電極の一例を示す正面図（Ａ）、斜視図（ＢないしＤ）及び本発明に係るコロナ放電装置の一実施形態を用いた画像形成装置の用部の断面図（Ｅ）である。
【図２】図１の例の放電電極の寸法構成を示す側面図である。
【図３】本発明に係るコロナ放電装置の放電電極の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明に係るコロナ放電装置の放電電極のさらに他の例を示す断面図（Ａ）、斜視図（Ｂ、Ｃ）である。
【図５】本発明に係るコロナ放電装置の放電電極のまたさらに他の例を示す断面図（Ａ）、斜視図（Ｂ、Ｃ、Ｄ）である。
【図６】図１の放電電極を用いてコロナ放電を行った場合の、放電点を観察した結果を示す図である。
【図７】図６の放電状態に対応する放電電極と放電光を示す図である。
【図８】図１の実施形態装置における放電電極の張り方の例を示す断面図である。
【図９】本発明に係るコロナ放電装置を用いた実施例のオゾン濃度（Ａ）とＮОｘ濃度（Ｂ）の測定結果を示す図である
【図１０】図９の実施例の構成で電極にポリイミドテープを貼り付けないで電極とした場合のオゾン濃度（Ａ）とＮОｘ濃度（Ｂ）の測定結果を示す図である
【図１１】図９の実施例の構成で、電極配置を図８（Ａ）、（Ｂ）にした場合の、感光体線速に対する帯電電位を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１板状電極
２、３誘電体
４誘電体
５板状電極
６誘電体
７孔
８スリット
１０放電電極
１１金属ケーシング
１２グリッド電極
１３感光体
１５ワイヤ状の電極
１６誘電体
１７孔
１８スリット
２０放電光

Claims

板状の金属電極の周囲を誘電体で覆い、上記金属電極の端縁を覆う上記誘電体の側面にスポット状の孔あるいは細いスリットを設け、上記金属電極の端縁の一部を外部に露出させて放電電極とし、上記金属電極の幅広の面が被帯電体と対向するように配置してなることを特徴とするコロナ放電装置。
請求項１のコロナ放電装置において、上記金属電極が、高融点材料からなることを特徴とするコロナ放電装置。
請求項１または２のコロナ放電装置を、帯電器として用いたことを特徴とする画像形成装置。
請求項１または２のコロナ放電装置を、除電器として用いたことを特徴とする画像形成装置。
請求項１または２のコロナ放電装置を、転写時の電荷付与装置として用いたことを特徴とする画像形成装置。