JP5047771B2 - 転写装置および転写装置の製造方法、その転写装置を用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は感光体ベルトや中間転写ベルト等のトナー像担持体に対向してコロナ転写手段を設け、トナー像担持体上に形成されたトナー像をトナー像担持体とコロナ転写手段間の転写領域に搬送された記録媒体上に転写する装置およびこれを用いた画像形成装置に関する。

電子写真方式を用いた画像形成装置は、感光体や中間転写体等のトナー像担持体上に形成されたトナー像を記録媒体上に転写し、定着機により記録媒体面に溶融・固着する。図１４は従来の転写装置を示し、感光体ベルト２５や中間転写ベルト１９上に形成されたマイナス帯電トナーを、表面に凹部１７を有する用紙１６に転写する場合を示している。

図１４（ａ）は、低価格な用紙として代表的な粗面紙や第１面へのトナー像定着時の熱により用紙変形を生じた用紙の第２面のように凹部１７が存在する用紙１６面に転写する場合を示す。凹部１７の深さｄは３０〜５０μｍ、凹部１７の幅Ｗｈが８〜１０ｍｍである。この場合、コロナ転写器１８により用紙１６の裏面に付与されたプラス電荷２０と感光体ベルト２５の電極層２５ｂとの間に働く静電電界により、マイナス帯電トナー２１を用紙１６面に引きつける必要がある。用紙１６の平坦部では用紙１６面とトナー像とが密着するため、トナー２１ａには十分な転写電界が働き、トナー２１ａの転写性は良い。一方、用紙１６面の凹部１７に対向するトナー２１ｂには用紙１６面との間に空隙ｄが存在するため、トナー２１ｂに働く転写電界が小さくなり、トナー２１ｂの転写性が低下して画像欠陥が生じる。

図１４（ｂ）はコート紙に梨地、布目、絹目等のエンボス（浮き出し）加工が行われ、人工的に凹凸が形成されたエンボス紙面に中間転写ベルト１９上のカラートナー像を転写する場合を示す。エンボス紙はチケットやカタログ、パンフレットなどの表紙に使用される。凹部１７の深さｄはエンボス加工の種類によっても異なるが、ｄは１０〜３０μｍ、その幅Ｗｈは０．２〜０．４ｍｍである。この場合、中間転写ベルト１９上に形成された２〜３層のカラートナーを一括して、より幅の狭い凹部１７内部に転写する必要がある。図１４（ａ）の場合と同様、凹部１７に対向するトナー層に対しては転写電界が小さく、かつ、カラー画像の場合トナーが多層になる。この場合、中間転写ベルト１９面と接触する側のトナー２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａには転写電界が作用しにくく、これらトナー２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａの転写性がさらに低下する。

図１５は静電転写時にトナーに働く力を説明する図である。図１５（ａ）は感光体ベルトや中間転写ベルト等のトナー像担持体３８の表面に形成されたトナー２１を、コロナ転写器１８を用いて用紙１６に転写する場合にトナー２１に働く力について説明したものである。トナー２１のトナー像担持体３８面への付着力は、鏡像力Ｆ_Ｍとファンデルワールス力Ｆ_ｆとの和である。一方、トナー２１を用紙１６に引きつける力は、用紙１６の裏面に付与されたプラス電荷２０（トナーの帯電電荷と逆極性）に基づく静電気力Ｆ_Ｅである。

この鏡像力Ｆ_Ｍおよびファンデルワールス力Ｆ_ｆの合力に打ち勝ってトナー２１を用紙１６に転写するためには、静電気力Ｆ_Ｅを大きくする必要がある。このため、コロナ転写器１８に印加する電圧／電流値を高くして用紙１６裏面に付与するプラス電荷２０のコロナ電荷量を増加し、転写電界Ｅを高める方法がある。しかし、転写電界Ｅを高くしすぎると局部的な電界集中によりトナー２１の飛び散り等の画質劣化が発生する。これを防ぐ方法として、トナー２１のトナー担持体３８面への付着力（鏡像力Ｆ_Ｍとファンデルワールス力Ｆ_ｆ）を低減し、トナー２１を用紙１６の方向に向かわせる新たな力をトナー２１に付与すること等が考えられる。

鏡像力Ｆ_Ｍはトナー２１の帯電電荷とトナー担持体３８に生じた鏡像電荷との間に働く静電気力で、トナー２１の粒径と帯電電荷、トナー像担持体３８の誘電率と厚さに依存する。一方、ファンデルワールス力Ｆ_ｆは非静電的な力であり、次式で与えられる。
Ｆ_ｆ＝Ａ×Ｒ／（６×Ｄ^２） …（１）
ここで、ＡはＨａｍａｋｅｒ定数で、トナー２１とトナー担持体３８とを構成する物質に依存する。Ｒはトナー２１の半径、Ｄはトナー２１とトナー担持体３８面との分離距離である。（１）式からわかるように、Ｆ_ｆはトナー２１の半径Ｒに比例し、トナー２１とトナー担持体３８面との分離距離Ｄの２乗に反比例する。

トナー２１の感光体面への付着力を低減する方法として、図１５（ｂ）に示すようにトナー担持体３８の裏面に接触してトナー担持体３８を加振する装置３９を設置し、トナー像担持体３８を上下に振動させることによりトナー２１に慣性力Ｆ_Ｂを付与し、Ｆ_Ｅと合わせてトナー像担持体３８からのトナー２１の離脱力を増加させ、トナー２１を用紙１６の凹部１７内に移動・転写させるものである。なお、慣性力Ｆ_Ｂは、後述するが、トナー２１の重量、振動周波数および振動変位に依存する。慣性力Ｆ_Ｂの付与により、表面に凹凸のある用紙１６へのモノクロトナー画像の転写（図１５（ａ））や多層トナー像となるカラートナー像の転写（図１４（ｂ））が可能となる。

感光体ベルトや中間転写ベルト等のトナー担持体３８の裏側から振動エネルギーを付与する手段として、電磁振動子や超音波振動子を用いる方法が提案されている（特許文献１）。このうち、実用化されているのは超音波振動子を用いる方式である。

この方法は図１５（ｂ）に示すように、圧電体の縦振動（ｄ_３３モード）を利用した超音波振動子３９ｂとホーン３９ａとを組み合わせて周波数２０〜１００ｋＨｚ、振動変位が数μｍの共振器を構成し、ホーン３９ａの振動先端部を感光体ベルトや中間転写ベルト等のトナー担持体３８の裏面に接触させることにより、トナー担持体３８を介してトナー２１に振動エネルギーを与えることにより、トナー２１に慣性力Ｆ_Ｂを生じさせ、用紙１６へのトナー２１の転写性を向上するものである。

特公昭５５−２０２３１号公報 特開平４−２３４０７６号公報 特開平４−２３４０８２号公報 特開昭６２−２４８９５３号公報 特公平４−２０２７６号公報 特開２００５−３０３９３７号公報

プリンタや複写器等の画像形成装置においては、広幅印刷のニーズが増加している。カット紙プリンタでＡ３サイズ幅以上、連続紙プリンタで２０インチ幅以上に至るサポートが要望されている。このため、トナー像担持体の幅も広くなり、加振源による振動エネルギー付与領域も４２０〜５００ｍｍ、あるいは５００ｍｍを超えるものとなっている。

一方、一つの共振器でカバーできる加振装置の幅は、超音波振動子３９ｂとホーン３９ａとの共振特性で決まり、対応可能な幅は２〜３インチである。このため、２０インチ幅以上をサポートするには７〜１０個、あるいはそれ以上の共振器を横一列に配列する必要がある。この場合の課題は、複数個の共振器を駆動する時の相互干渉（クロスカップリングという現象）であり、隣接するホーンを接触させないようにする（特許文献２）等の対策が必要になる。しかし、この場合、隣接ホーン間は、トナー像担持体に振動エネルギーを付与できないという問題がある。

また、共振器を複数個配列した場合、相互干渉により個々の共振器の振動特性（主に振動速度）が均一とならず、特に両サイドで振動速度が低下する傾向がある。このため、振動特性が均一となるように中央部と両サイド部とで駆動電圧を変える必要があり、それぞれの共振器の駆動を別々の大きさの電圧で駆動する（特許文献３）等の対策が提案されている。

さらに、超音波振動子としては、一般にボルト締めランジェバン型振動子が用いられ、これを複数個並べる。ランジェバン型振動子の駆動電力は１台あたり、７０〜１４０Ｗであり、２０インチ幅をサポートすると必要電力は数百Ｗ程度となる。このため、周波数が２０ｋＨｚ以上の高周波・高電圧電源が必要となり、高コストになる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、表面に凹凸を有するエンボス紙や粗面紙への転写や、第１面へのトナー像定着時の熱による用紙変形（シワ等）により生じた用紙第２面の凹部への画像欠陥のない、良好なトナー転写を可能とする転写装置およびこれを用いた画像形成装置を提供することにある。

本発明の転写装置は、トナー像担持体と、コロナ転写手段とを対向して設置し、該トナー像担持体と該コロナ転写手段との間の転写領域に搬送される記録媒体に、該トナー像担持体上に形成されたトナー像を静電的に転写する転写装置であって、該トナー像担持体を挟んで該コロナ転写手段に対向する位置に、該トナー像担持体の裏面に振動エネルギーを付与する加振装置を設け、該加振装置が、圧電バイモルフ型アクチュエータの一端を支持固定した片持ち支持構成体を有し、表面に電極を形成した一対の圧電体を貼り合わせた構造を有し、該片持ち支持構成体の支持固定部とは反対側の端部に突起部を設け、該圧電体に電圧を印加した時に生じる往復振動を、該突起部を介して該トナー像担持体の裏面に伝える構成であることを特徴とする。これにより、従来の超音波振動子を用いる方式と比べて低消費電力かつ高周波、高電圧電源を必要とせずに、良好なトナー転写が可能となる。

本発明の転写装置は、トナー像担持体に対向して設置されたコロナ転写手段と、前記コロナ転写手段に対向する位置でトナー像担持体の裏面に振動エネルギーを付与する加振手段とを有し、前記トナー像担持体上のトナー像を記録媒体上に静電的に転写するものであって、前記加振手段が、表面に電極を形成した一対の圧電体を導電性弾性部材（以下、シム材と称する）の両面に貼り合わせた構造の圧電バイモルフ素子の一端を支持し、かつ、他端に突起部を設けた片持ち支持構造体であり、圧電体表面の電極とシム材との間に駆動電圧を印加した時、前記圧電バイモルフ素子の支持される圧電体領域には、電圧が印加されないようにすることにより、前記圧電バイモルフ素子の寿命が向上する効果が加わる。

この方法としては、前記圧電バイモルフ素子として、圧電バイモルフ素子を構成する圧電体の表面電極領域とシム材領域とが重なる領域であって、実質的に逆圧電効果による歪みが生じる圧電体領域には、前記圧電バイモルフが支持される領域を含まないようにすればより好ましい。

また、前記圧電バイモルフ素子は、圧電バイモルフ素子を構成する圧電体の表面電極領域とシム材領域とが重なる領域であって、実質的に逆圧電効果による歪みが生じる圧電体領域には、バイモルフ素子の自由端を含む振動領域のみとなるようにすればより好ましい。

前記圧電バイモルフ素子を構成する圧電セラミックス板あるいは圧電フィルムは、全面が厚さ方向に分極処理されたものであって、バイモルフ素子を駆動するための電極を前記圧電セラミックス板あるいは圧電フィルム面の特定の領域のみに形成したことを特徴とする。

前記転写装置は、圧電体が圧電セラミックス板あるいは圧電フィルムであって、シム材の幅が、記録媒体への転写領域幅と同じか、それ以上であって、シム材の両面に、所定の間隙を設けて複数個の圧電体を転写領域幅方向に配列して貼り合わせ、電圧印加時における個々の圧電体部材の伸張・収縮を、シム材を共通ベースとする広幅バイモルフ素子としたことを特徴とする。

本発明の画像形成装置は、トナー画像が表面に形成された中間転写ベルトあるいは感光ベルト等のトナー像担持体と、回動する前記トナー像担持体に対向して配置され、前記トナー画像を記録媒体上に転写する転写部とを備えるものであって、前記転写部として上記の転写装置を用いたことを特徴とする。

本発明は、１枚のシム材（弾性補強板）に複数の圧電体を貼り合わせてバイモルフ型アクチュエータを構成し、片持ち端のアクチュエータの反対端に突起部を設けてトナー担持体に往復振動を加える新規な方式である。本発明によれば、トナー担持体の全幅にわたって均一な振動を与えることができ、複数の圧電体の動きが１枚のシム材の動きとして現れるため、クロスカップリング現象がなく、広幅印刷（２０インチ以上）に対して一つのアクチュエータで対応することができる。また、本発明のアクチュエータの駆動電圧は１０〜４０Ｖであり、従来の共振器方式の１／２〜１／３に低電圧化が可能で、駆動周波数も２０ｋＨｚ以下である。また、投入電力も数分の１に低減することができる。

本発明の圧電バイモルフ素子では、駆動時に逆圧電効果が生じるのは自由端領域のみとなる。このため、下記の効果が得られる。

圧電バイモルフ素子と固定部材との境界では応力は生じない。このため、高い周波数で、かつ、大きな変位で振動しても、圧電バイモルフ素子を構成する圧電セラミック（ＰＺＴ）の破損等がなく、信頼性に優れた加振手段が得られる。

なお、本発明の素子構造は広幅のシム材にも適用できるため、広幅転写対応の圧電バイモルフ素子においても同じ効果を得ることができる。

なお、本発明の素子構造は広幅のシム材にも適用できるため、広幅転写対応の圧電バイモルフ素子においても、同じ効果を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

まず、本発明の転写装置の要部である加振装置の主要構成を説明する。

本発明の加振装置は、広幅のトナー像担持体を高速で加振する手段として、相互干渉（クロスカップリング）が生ずる縦振動（ｄ_３３モード）を利用した共振器方式ではなく、圧電体の横効果振動（ｄ_３１モード）を利用したバイモフル型アクチュエータ方式を利用する。

図１２、図１３は圧電バイモルフ素子の説明図であり、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸塩）等の圧電セラミックスやＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電フィルムによる圧電体の逆圧電効果を利用した圧電バイモルフ素子７の動作原理を示す。

図１２は、圧電体の厚さ方向に電圧を印加した時、厚さと直交する方向すなわち、面方向に伸張と収縮とを行う横効果のアクチュエータの動作を示す図である。図１２（ａ）は、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸塩）等の圧電セラミックスや、ＰＶＤＦ等の圧電フィルムで形成された圧電体１表面に電極３ｇ、３ｈを形成したものである。

１３１は圧電体の自発分極を示している。図１２（ｂ）は、圧電体１に自発分極１３１の方向に対して逆方向の電界が働くように、直流電圧源１３２により直流電圧Ｖｄを印加した場合を示す。圧電体１は面方向の両側に、それぞれΔＬ／２だけ伸びる。

一方、図１２（ｃ）は、圧電体１に自発分極１３１の方向と同方向に電界が働くように直流電圧Ｖｄを印加した場合を示す。圧電体１は面方向の両側にそれぞれΔＬ／２だけ収縮する。伸縮量ΔＬは圧電体の圧電歪定数ｄ_３１、長さＬ、厚さｔを用いて（２）式で示される。
ΔＬ＝ｄ_３１×Ｌ×Ｖｄ／ｔ （２）
圧電歪定数ｄ_３１の値は圧電体を構成する材料組成によって変わる。ＰＺＴと包括的に分類されるものでも、８０×１０^−１２〜３７５×１０^−１２Ｃ／Ｎと、その値の異なるものが実用化されている。

図１３に示す逆圧電効果とは圧電体に電界を加えた時、電界に比例した歪みを生じる現象である。圧電バイモルフ素子７は、導電性の弾性部材（以下、シム材）４の両側に２枚の圧電体１、５をそれぞれの自発分極２の分極方向を同方向にして導電性接着剤を用いて貼りつけたものである。導電性接着剤を用いるのは、接着剤層での電圧分担による駆動電圧の増加を防ぐためである。圧電素子１、５の表面にはそれぞれ、電極３、６が形成されており、それぞれ給電線１４、１５を接続して両電極３、６と導電性の弾性部材４との間に直流電源３３による電圧Ｖｄを印加する。この圧電バイモルフ素子７の一端を支持固定部材１０ａ、１０ｂで挟持した片持ち支持構造とする。ここで、逆圧電効果とは、圧電体に電界を加えた時、電界に比例した歪みを生じる現象である。

図１３（ａ）は、圧電体の電極３、６をプラス電位、シム材４をアース電位とした場合である。圧電体１では自発分極２の分極方向と印加電界の方向とが同じであるため圧電体は収縮し、圧電体５では自発分極２の方向と印加電界の方向は逆になるため、圧電体５は伸びる。その結果、圧電バイモルフ素子７はシム材４を中心軸として上方向に変位Ｕで曲がる。

図１３（ｂ）は、逆に、圧電体の電極３、６をアース電位とし、シム材４をプラス電位とした場合であり、圧電バイモルフ素子７は下側方向に変位Ｕで曲がる。圧電バイモルフ素子７に交流電圧を印加すると、図１３（ａ）と図１３（ｂ）の状態を交互に繰り返して上下振動を生じる。

圧電バイモルフ素子７の変位Ｕ（ｍ）および共振周波数ｆ（Ｈｚ）は（３）、（４）式で与えられる。
変位Ｕ＝３×ｄ_３１×（Ｌ／ｔ_ｔ）^２×（１＋ｔ_ｓ／ｔ_ｔ）×α×Ｖ …（３）
共振周波数ｆ＝０．１６２×（ｔ_ｔ／Ｌ^２）×√（Ｙ／ρ） …（４）
ここで、ｔ_ｔは圧電体１、５およびシム材４を合わせた全体の厚さ、ｔ_ｓはシム材４の厚さ、また、αは非線形補正係数で２である。Ｙは圧電バイモルフ素子７（圧電体とシム材含む）としてのヤング率、ρは同様に密度であり、ｄ_３１は圧電定数、Ｌは振動長、Ｖは印加電圧である。

圧電バイモルフ素子７は超音波振動子に比べて振動周波数は数ｋＨｚ以下と低いが、変位Ｕは数百μｍ〜数ｍｍで、超音波圧電素子の１０μｍ以下に比べて、数桁を大きく取れる特長がある。また、駆動電力も小さく、電磁的雑音が発生しない等の長所もある。

圧電セラミックスであるＰＺＴおよび圧電フィルムであるＰＶＤＦについて説明する。

ＰＺＴは、ＰｂＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等の粉末を混合粉砕した後、７００〜８００℃で仮焼成し、これにバインダ、ＰＶＡなどの有機物を入れて練合する。つぎに、３００〜５００℃で加熱してバインダを除去した後、更に１１００〜１３００℃で本焼成する。その後、所定寸法に加工し、メッキ、焼き付け、蒸着等により表面に電極を形成する。

分極処理は、１００℃前後の絶縁油の中で電極間に２〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し、数十分間保持することにより完成する。

ＰＶＤＦはフッ化ビニリデン樹脂の一軸延伸フィルムを高電圧で分極処理したものである。ＰＺＴ等の圧電セラミックスに比べて圧電歪定数が１／５以下と小さいものの、大面積で薄膜化が可能という特徴がある。

特許文献４には、圧電フィルム製の圧電バイモルフ素子を片持ち支持し、交流電圧を印加して機械的共振を生じさせ、前記バイモルフ素子の自由端が振動することで空気流を生じさせ、サーミスタ等への送風源とする開示がある。また、特許文献５には、先端にワイヤが取り付けられた複数の片持ち支持の圧電バイモルフ素子が配置され、印刷信号によりそれぞれが独立にインクリボンを記録体に押しつけて印字を行う装置が開示されている。また、特許文献６には、圧電バイモルフ素子をタッチパネルに適用するための両持ち支持構造が開示されている。

一方、複数のバイモルフ型アクチュエータを幅方向に並べる構成は、従来の超音波圧電素子とホーンとを組み合わせた共振器を用いた場合の課題と同様、隣接アクチュエータ間でトナー像担持体に振動を付与できないという問題を有する。そこで、本発明では、幅広対応のアクチュエータを用いた加振装置について工夫を行った。

図４は本発明のバイモルフ型アクチュエータの基本構成を示している。シム材４には、厚さ５０〜３００μｍのステンレス、燐青銅またはチタン、あるいは一方向に沿って配列したカーボン繊維にエポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維シートなどを使用する。シム材４の幅Ｗｓは、印刷幅Ｗｐと同等か、それ以上とする。ここでは、Ｗｐを２０インチ（５０８ｍｍ）とする。導電性接着剤を用いてシム材４の表の面に長さＬｃ１、幅Ｗｃ（８０ｍｍ）の圧電体６枚（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）、裏の面にも同様に、圧電体６枚（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ）を接着した。なお、隣接する圧電体間にわずかのスペースを設けて接着しても良い。

圧電体１、５表面に形成した駆動電極３、６の幅は（Ｌｃ１−Ｌｔ）で、圧電体１、５の片端面の、電極が形成されていない長さＬｔの領域に、金属あるいは樹脂で形成された長さＬｔ、幅Ｗｔ、高さＨの突起部１２を、絶縁性接着剤８を用いて接着固定した。なお、突起部１２の幅Ｗｔは印刷幅Ｗｐと同等か、それ以上、かつ、シム材４の幅Ｗｓと同等か、それ以下とする。圧電体１ａ〜１ｆ、５ａ〜５ｆの表面に形成された複数の電極３ａ〜３ｆ、６ａ〜６ｆは、それぞれを一括して引き出して電極端子と接続し、広幅一体型の圧電バイモルフ素子７を構成する。構成は図８（ａ）に示すようになる。

重要なことは、突起部１２が接着固定される圧電体面の領域（長さＬｔ）には電極３、６が形成されていないことである。これは電極３、６を形成しておくと、この領域も伸縮を生じる活性領域となり、圧電体１と突起部１２との接着界面に剪断力が作用して界面剥離を生じるためである。以下、電極が形成されない、この領域を不活性領域（ダミー領域）とよぶ。

不活性領域にする方法として、上記の説明のように駆動電極３、６を形成しないか、あるいは、分極処理の対象からこの領域を外す方法がある。

（３）、（４）式からわかるように、変位Ｕ、共振周波数ｆは、圧電素子の長さＬおよび厚さｔ_ｔに依存する。シム材４を挟んで両面に取り付けられた各圧電素子に電圧を印加した時の収縮・伸張特性は、圧電バイモルフ素子７としての機能を示す。これは、圧電体１の先端面に設けられた突起部１２の上下振動となる。このような構成の圧電バイモルフ素子７は、広幅対応であるにもかかわらず、従来の超音波振動子を用いたときのような相互干渉の問題は生じない。

図５は、図４とは別のバイモルフ型アクチュエータの基本構成を示している。図４との違いは、圧電素子表面に形成する電極領域を狭めた点にあり、図８（ｂ）に示すような圧電バイモルフ素子７を片持ち構成とする時の支持固定領域部に相当する領域（幅Ｌｋ）を、駆動用電極３、６を設けないダミー領域とした。これにより、支持固定部材１０と圧電体１、５との間で剪断力が発生するのを防止し、圧電体１、５が機械的破壊するのを防いでいる。

図６は、更に別の構成を示すもので、図４の構成との違いはシム材４の表面側に貼り付ける圧電体１ａ〜１ｆの長さを短くしたもので、この長さＬｃ２はＬｃ１よりもＬｔだけ短い。なお、下側の圧電体５ａ〜５ｆ（５ａ〜５ｅは見えない）の長さはＬｃ１とした。これにより、シム材４の片側端面を露出し、このシム材４の表面に直接、接着剤８を用いて突起部７を固定した構成である。

図７は更に別の構成を示すもので、図４、図５の構成の違いと同様、圧電体１、５表面に形成する電極３、６を、圧電バイモルフ素子７を片持ち構成とする時の支持固定領域部に相当する領域（幅Ｌｋ）を除いて形成したものである。図６、図７の構成は圧電体１、５が短くなった分、バイモルフ型アクチュエータを軽くするという効果がある。ここでは、シム材４の裏面側に貼り付ける圧電体５の長さをＬｃ１としたが、表面側の圧電体１と同じくＬｃ２としても良い。この場合、強度上、シム材４の厚さを厚くすることが望ましい。

図８は、本発明の圧電バイモルフ素子を用いた加振装置を説明する平面図である。圧電バイモルフ素子７としては、図４に示す構成のものを用いている。使用した圧電体１、５（ＰＺＴ）の圧電歪定数ｄ_３１は１１０×１０^−１２（Ｃ／Ｎ）、ヤング率Ｙは６．９６×１０^１０Ｎ／ｍ^２、密度ρは７．５×１０^３ｋｇ／ｍ^３である。圧電体１、５の厚さｔは３００μｍ、幅Ｗｃは８０ｍｍ、長さＬｃ１は２０ｍｍである。シム材４として厚さ５０μｍのステンレス板を用い、導電性接着剤８を用いて圧電体１、５をシム材４の両面に貼り付けた。見かけ上のシム材４の厚さｔｓは接着剤層８を含め１００μｍである。Ｌｔは５ｍｍ、電極形成領域長（Ｌｃ１−Ｌｔ）は１５ｍｍ、片持ち構成とするときの支持固定領域部に相当する領域の幅Ｌｋは１０ｍｍである。突起部１２はアルミニウムを加工して製作したものである。圧電体１ａ〜１ｆの電極３ａ〜３ｆを導電ペーストにて一括して引き出し、同様に、圧電体５ａ〜５ｆの電極６ａ〜６ｆを導電ペーストにて一括して引き出した。この圧電バイモルフ素子７を支持固定部材１０の幅Ｌｋにてチャックした。チャック幅Ｌｋは１０ｍｍで、圧電体１、５の振動長Ｌ（＝Ｌｃ１−Ｌｋ）は１０ｍｍである。

図８（ｂ）に加振装置の側面図を示す。アクチェータの電極端子を交番電圧電源１３に接続した。駆動波形Ｖｒを波高値±３０Ｖの正弦波交流とし、駆動周波数を変えて突起部１２の上端の振動変位をレーザ変位計で測定した。その結果、振動振幅が最大となる共振周波数ｆは３ｋＨｚ、変位Ｕは４μｍとなった。これは、（３）、（４）式で算出した値（共振周波数ｆ：３．５ｋＨｚ、変位Ｕ：４．６μｍ）とほぼ一致した。

つぎに、駆動波形を波高値±３０Ｖの矩形波交流とすると、共振周波数ｆは変わらないものの、変位Ｕが５μｍと大きくなることがわかった。この要因としては、矩形波交流の方が電圧の立ち上がりｄＶ／ｄｔが大きいこと、投入エネルギーが大きくなるためと推定される。また、図８において、図５、図７に示す圧電バイモルフ素子７を用いることもできる。図５、図７の構成の場合には、電極を形成していないダミー領域（幅Ｌｋ）を支持固定部材１０でチャックすることにより長期間駆動時の圧電体の破損を防止できる効果がある。

図９は本発明の圧電バイモルフ素子７を用いた別の加振装置を説明する図である。圧電バイモルフ素子７としては、図６に示す構造のものを用いた。圧電体１、５の接着領域外におけるシム材４の長さＬＪは１０ｍｍである。Ｌｃ２は５ｍｍである。圧電バイモルフ素子７のシム材４におけるＬＪの領域を直接、支持固定部材１０でチャックした構成であり、シム材部を片支持固定部として振動する。この場合、加振装置の寿命を支配する機械ストレスは圧電体１、５ではなく、シム材４に加わる。シム材４は弾性体であるため、セラミックスであるＰＺＴに比べて曲げ応力に強いため、長寿命化を図ることができる。

図１０は加振装置によるトナー担持ベルトへの加振特性を示す図である。図１０（ａ）は、トナー画像が形成されたトナー像担持ベルト１９が走行し、その裏側に圧電バイモルフ素子７が設置され、突起部１２の上下振動によりトナー像担持ベルト１９の裏面に振動エネルギーが加えられる状態を示す。図１０（ｂ）は駆動電圧波形、図１０（ｃ）はトナー像担持ベルト１９の振動振幅（変位Ｕ）の時間変化を示す。トナー像担持ベルト１９が上部に押し上げられた時、トナー１１５、１１７には慣性力Ｆ_Ｂが働きトナー像担持体面との付着力が低減する。圧電バイモルフ素子７の振動周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、トナー像担持ベルト１９を押し上げる期間は１周期Ｔの１／２、すなわち、１／（２ｆ）（秒）となる。

図８で説明したアクチュエータを使用し、共振周波数は３ｋＨｚで駆動する。トナー画像の印刷密度を６００ｄｐｉとしたとき、単純にトナーに対し１回振動を与えれば良いと仮定すれば、印刷速度で約５ｉｐｓ（インチ／秒）まで対応できることになる。しかし、より高精細化、高速化には、トナー像担持ベルト１９を押し上げる期間（押し上げ周期）を増す必要がある。また、カラー印刷の場合にはトナーは多層となり、より大きな慣性力Ｆ_Ｂを付与することが求められる。慣性力Ｆ_Ｂは振動振幅と振動周波数とに比例するため、押し上げる期間（押し上げ周期）を短くすることは慣性力の増加につながる。

このための方策として、（３）式、（４）式からわかるように圧電歪定数ｄ_３１やヤング率Ｙの大きな圧電材料の選択や構成部品の寸法適正化等の設計的な対策がある。もう一つは加振装置の構成によるものである。

図１１は２つのバイモルフ型アクチュエータを用いる加振装置の構成を示す。図１１（ａ）では、２つの圧電バイモルフ素子７ａ、７ｂをそれぞれの突起部１２ａ、１２ｂが近接するように配置している。圧電バイモルフ素子７ａ、７ｂを駆動する交流電源はＶｒ１、Ｖｒ２である。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に示すように、Ｖｒ１、Ｖｒ２は両者間で位相を１／２周期ずらしたことに特徴がある。これにより、圧電バイモルフ素子７ａがトナー像担持ベルト１９を上部に押し上げている期間は、圧電バイモルフ素子７ｂは下方に位置しトナー像担持ベルト１９に非接触な状態となる。また、圧電バイモルフ素子７ａが像担持体ベルト１９の下方に位置している期間は、圧電バイモルフ素子７ｂはトナー像担持ベルト１９を上方に押し上げるように作用する。この結果、トナー像担持ベルト１９は図１１（ｄ）に示すようにパルス的な振幅で振動エネルギーを受け、これがトナー像担持ベルト１９上のトナー１１５、１１７に慣性力Ｆ_Ｂを付与することになる。この結果、トナー１１５、１１７に慣性力を付与する期間は、図１０の構成に比べて２倍にすることができる。

圧電バイモルフ素子７を画像形成装置にて使用する際、振動特性（振動振幅と振動周波数）に加え、デバイスとしての寿命および信頼性の確保が重要である。圧電バイモルフ素子７は片持ち支持構成で使用されるため、固定部材１０ａ、１０ｂによる支持固定部、およびトナー像担持ベルト１９に接触する作用を担う突起部１２ａ、１２ｂの接合部には、機械的応力が加わらないことが必要である。よって、固定部材１０ａ、１０ｂによる支持固定部や突起部１２ａ、１２ｂの接合部に接触する圧電体１、５は不活性であることが望ましく、構成としては圧電体１、５表面の上記領域には電極３、６を設けない図５、図７の構成が最良である。また、圧電バイモルフ素子７は圧電体１、５およびシム材４の積層構造であり、両者は接着剤８を用いて接着するが、駆動電圧の増加を防ぐため導電性接着剤が望ましい。

ここで、従来構造の圧電バイモルフ素子を、本発明の目的である振動エネルギーを付与する加振機構として用いた場合の問題点について検討する。

図２１は従来の圧電バイモルフ素子を加振手段として使用した転写装置の構成図である。圧電バイモルフ素子７は表面全域に電極３、６が形成された圧電体１、５がシム材４を挟んで積層された構造である。電極３、６は圧電体１、５の分極処理として形成されたものである。この圧電バイモルフ素子７のうち、領域３５は固定部材１０ａ、１０ｂにより上下から固定され、領域３４は電圧印加時に上下振動による振動エネルギーを取り出す自由端領域、領域３６は圧電体１、５それぞれの表面の電極３、６への給電端子接続部である。交流電源１３から前記電極３、６とシム材４との間に交流電圧が印加されると、自由端領域３４は矢印で示すように上下振動をする。この変位Ｕ_１、共振周波数ｆ_１は、（３）、（４）式でＬをＬ_ｆとすることにより求まる。

一方、圧電体１、５の全域に電圧が印加されるため、領域３５、領域３６にも逆圧電効果によって電界に比例した歪み（応力）が発生する。このため、本来、上下振動をする領域３５を押さえつけている固定部材の両サイド３７ａ、３７ｂ近傍の圧電体１、５は駆動周波数で繰り返しの大きな応力を受ける。また、領域３６でも振幅は領域３４に比べて小さいが、上下に振動する。この時の変位Ｕ、共振周波数ｆ_２は（３）、（４）式でＬをＬ_ｄとして計算により求まる。Ｌ_ｆ＞Ｌ_ｄであるのでｆ_１＜ｆ_２となる。このため、自由端領域３４の振動（ｆ_１）に高周波の振動（ｆ_２）が重畳されることになる。

図２１に示す圧電バイモルフ素子７により、トナー像担持体３８の裏面に振動エネルギーを加えてトナーに慣性力Ｆ_Ｂを付与し、トナーとトナー像担持体との付着力を低減させる場合を考える。慣性力Ｆ_Ｂ（Ｎ）は（５）式で与えられる。
Ｆ_Ｂ＝４π^２ｆ^２・Ｕ・ｍ …（５）
ここで、ｆは圧電バイモルフ素子７の振動周波数、ｍはトナー１個の重量である。

（５）式からわかるように、Ｆ_Ｂは振動周波数ｆの２乗、変位Ｕに比例する。このため、従来の圧電バイモルフ素子構造では、次のような問題がある。
（イ）自由端領域３４の上下振動に給電端子接続部３６の振動が重畳されるため、自由端３４の振動特性は不均一な振動モードとなり、加振源としての振動特性が悪くなる。（ロ）慣性力Ｆ_Ｂを大きくするためには、振動周波数ｆと変位Ｕを大きくする必要があるが、この時の応力が大きくなり、圧電体の破損等の信頼性に係わる課題が生じる。

そこで、圧電バイモルフ素子７に電圧印加時に逆圧電効果を生じる領域が、自由振動を生じる領域３４のみとなるように、圧電体１、５の表面に電極３、６およびシム材４を所定の形状で形成する。

図１９は本発明の圧電バイモフル素子の構成を示す。図１９（ａ）は圧電バイモルフ素子を構成する上側の圧電体１の形状と、この圧電体面の電極の形状を示している。図１９（ａ−１）は表面に形成されたＬ型形状の電極３ａ、図１９（ａ−２）は裏面に形成した長方形状の電極３ｂを示す。この電極の形状は、ＰＺＴ圧電体の製造方法で説明したように、焼結・成形されたＰＺＴ板を分極処理するために圧電体１の両面全域に形成した電極を、分極処理後に図１９（ａ）に示すような電極領域３ａ、３ｂのみを残して除去することによって得られる。

なお、分極２は電極のない領域も含め、厚さ方向の全域に形成されている。当初、圧電体１の両面に電極３ａ、３ｂを形成して分極処理したところ、分極領域と分極していない領域の境界で大きな歪みが発生してクラックが入ることがわかり、上記の方法に変更した。

同様に、図１９（ｃ）には圧電バイモルフ素子を構成する下側の圧電体５の形状と、この圧電体５の面に形成した電極６ａ、６ｂの形状を示し、図１９（ｃ−１）には表面に形成した長方形状の電極６ａ、図１９（ｃ−２）は裏面に形成したＬ型形状の電極６ｂを示す。図１９（ｂ）にはシム材４の形状を示す。本実施例では、シム材４はＴ型形状である。シム材４としてはステンレスや燐青銅等のシム材が用いられる。

図１９（ｄ）には、圧電体１、シム材４および圧電体５に接着剤を用いて積層・接着して製作した圧電バイモルフ素子７の形状を示す。Ｔ型形状のシム材４４ａ領域の両側には、シム材４と、圧電体１の電極３ｂおよび圧電体５の電極６ａとを導通するために導電性接着剤８を用い、シム材４のその他の領域４ｂ（圧電体１の裏面の電極３ｂ、圧電体５表面の電極６ａを除く領域）には絶縁性接着剤９を用いる。ここで、領域３ａＬ、６ｂＬは、それぞれ、圧電体１、５の電極３ａ、６ｂへの給電端子接続部で、４ｂはシム材４への給電端子接続部となる。

図２０は図１９（ｄ）に示した本発明の圧電バイモルフ素子７を用いた片持ち支持構成の加振手段を示す。固定支持部材１０ａ、１０ｂの幅Ｌｈを圧電バイモルフ素子７の幅Ｌｈと一致させた。また、固定支持部材１０ａの一部に切り込み部１１ａを設け、ここから給電端子を電極領域３ａＬに導電性ペーストを用いて接続、同様に、固定支持部材１０ｂの一部に切り込み部１１ｂを設け、給電端子を電極領域６ｂＬに接続する。

また、圧電バイモルフ素子７の振動エネルギーをトナー像担持体の裏面に付与するため、突起部１２を圧電体１の自由端の表面に接着剤により取り付けている。交流電源１３から圧電バイモルフ素子７の給電端子に電圧を付与することにより、突起部１２は上下に振動する。交流電源１３は周波数が数ｋＨｚ以下、±数十Ｖで、消費電力も数Ｗ以下である。

圧電バイモルフ素子７を用いた加振手段を用いてコロナ転写性能の向上を図る場合、振動の安定性（振動振幅と振動周波数の均一性）と圧電バイモルフ素子７の寿命とを含めた信頼性を確保することが重要である。

図１９において、圧電体１、５とシム材４とを積層接着する場合に、１種類の接着剤（絶縁性接着剤または導電性接着剤）を用いて接合することも可能であるが、下記の問題がある。

絶縁性接着剤で行うと、自由端領域３４では印加電圧の一部が接着層８で分担されるため、実質的に圧電体１、５に印加される電圧が低下し、（３）式からわかるように変位Ｕが小さくなる。一方、導電性接着剤で行うと、シム材４が実質的に全面に拡がったことになる。このため、自由端領域３４では上記の問題は解決されるが、給電端子接続部で圧電体１、５に電圧が印加されることになり、逆圧電効果による歪みが生じ、切り込み部１１の周辺で振動時の圧電体１、５が破損するという問題を生じる危険がある。

このため、本発明の最良の形態としては、固定部材で固定される固定領域３５では絶縁性接着剤で接合し、振動領域３４は導電性接着剤で接合する構成である。このとき、同じ温度で硬化が可能で、硬化後の両接着剤層８の厚さが同じで、かつ、ガラス転移温度、硬度もほぼ同じになるような接着剤組成および接着剤塗布条件を選ぶことが望ましい。

以上のように、本発明の転写装置は、トナー像担持体１９と、コロナ転写手段１８とを対向して設置し、トナー像担持体１９を挟んでコロナ転写手段１８に対向する位置に、トナー像担持体１９の裏面に振動エネルギーを付与する加振手段２５を設け、トナー像担持体１９上のトナー像を記録媒体上に静電的に転写するものである。加振手段２５は、表面に電極３、６を形成した一対の圧電体１、５をシム材４の両面に貼り合わせた構造の圧電バイモルフ素子７の一端を支持したものである。そして、他端に突起部１２を設けた片持ち支持構造体であって、圧電体１、５表面の電極３、６とシム材４との間に駆動電圧を印加した時、圧電バイモルフ素子７の支持される圧電体１、５領域には、電圧が印加されない構成となる。すなわち、圧電バイモルフ素子７の支持される圧電体１、５領域には、電極３、６を設けない。

さらに、本発明の転写装置は、圧電体の横振動（ｄ_３１モード）を利用したバイモルフ構成素子の機械振動を応用したもので、広い面積にわたってトナー画像を均一に転写することが可能である。また従来の圧電体の縦振動（ｄ_３３モード）を利用した超音波振動子とホーンとを組み合わせる方式に比べて、加振装置の小型化および低消費電力化が可能である。これにより、本発明の転写装置を用いた画像形成装置では、従来の電子写真方式では対応できなかったさまざまな種類の用紙や広幅の用紙に高い品質で印刷できるようになる。粗面紙、両面印刷、エンボス紙などにも対応できる。

図１は本発明の実施例１による転写装置の構成を示す。ＯＰＣ感光体ベルト１９上に形成されたトナー１１５、１１７により形成されたトナー画像を、粗面紙あるいは両面印刷時の用紙第２面へ転写する構成を示している。用紙１６の表面には、深さ約２０〜３０μｍ、幅５０から１００μｍの空隙部１６が存在する。トナー１１５、１１７は粒径９μｍの負帯電トナーである。プロセス速度（感光体ベルト１９の移動速度）２３ｉｐｓ、用紙幅２０．５インチ、印刷幅１９．５インチの連続紙プリンタである。加振装置は、図５に示すバイモルフ型アクチュエータ７を、図８に示す片持ち支持構成としたものであり、非駆動時において突起部１２は感光体ベルト１９の裏面に非接触の状態にある。バイモルフ型アクチュエータ７は、厚さ５０μｍ、幅５６０ｍｍ、長さ２５ｍｍのステンレス板をシム材４として、この両面に、厚さｔが２００μｍ、幅Ｗｃが８０ｍｍ、長さＬｃ１が２０ｍｍのＰＺＴプレートを、それぞれ各６個、エポキシ系の導電性接着剤にて接着・固定したものである。積層体全体の厚さは５００μｍである。また、突起部１２はアルミニウムを一体加工したもので、圧電体１、５の端部で、電極３、６が形成されていない部分にエポキシ接着剤８にて接着固定した。

また、電源１３は矩形波交流電源であり、圧電体１、５の電極３、６とシム材４との間に交流電圧を印加した。一方、用紙１６の裏面側には直流高圧電源１１３に接続されたコロナ転写器１８が配置されている。このコロナ転写器１８により、用紙１６裏面に正極性のコロナ電荷が付与されてコロナ転写器１８と対向する領域のトナーには静電気力Ｆ_Ｅが働く。一方、トナーと感光体ベルト１１間には付着力として鏡像力Ｆ_Ｍとファンデルワールス力Ｆ_ｆが働く。鏡像力Ｆ_Ｍはトナーの帯電電荷量によって異なる。一方、ファンデルワールス力Ｆ_ｆはトナーの表面状態によって異なる。通常、トナーの表面には外添材としてシリカが付着している。一般的な外添材の被覆率である２５％の時、Ｆ_ｆは約１０ｎＮとなる。鏡像力Ｆ_Ｍは静電的付着力であるため、コロナ転写器１８による静電気力Ｆ_Ｅを大きくすることにより打ち勝つことができる。一方、ファンデルワールス力Ｆ_ｆは非静電的付着力である。印刷時、バイモルフ型アクチュエータ７に、周波数が５ｋＨｚ、波高値が±４０Ｖの矩形波交流を印加したところ、突起部１２は振幅約１８μｍで上下振動した。この結果、感光体ベルト１９上のトナー１１５には１１ｎＮの慣性力Ｆ_Ｂが働いた。この値はファンデルワールス力Ｆ_ｆよりも大きい。この結果、トナー１１５は静電気力Ｆ_Ｅおよび慣性力Ｆ_Ｂにより、鏡像力とファンデルワールス力による束縛から逃れて空隙１７を飛翔するトナー１１７となり、大きな表面凹凸のある用紙１６に転写できることがわかった。本実施例では、用紙１６として連続紙を用いた場合について説明したが、カット紙であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。バイモルフ型アクチュエータ７として、図５の構成のものを用いたが、図４、図６、図７の構成のものを用いても良い。

図２は本発明の実施例２による転写装置の構成を示す。ポリイミド樹脂を用いた中間転写ベルト１９上に、Ｙ（イエロ）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（黒）の４色のトナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５の色重ねによって形成されたカラートナー画像をエンボス紙１６の表面に転写する装置の構成を示したものである。エンボス紙１６は、表面に多種形状の空隙１７が多数形成されている。このため、多層の各トナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５を中間転写ベルト１９から飛翔させて空隙１７表面に転写させるためには、より大きな慣性力を各トナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５に付与する必要がある。ここでトナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５の粒径は９μｍの負帯電トナーである。印刷密度６００ｄｐｉ、プロセス速度（中間転写ベルト１９の移動速度）は１６ｉｐｓ、用紙幅は２０．５インチ、転写幅が１９．５インチの連続紙プリンタである。中間転写ベルト１９の裏面側に、図７に示した構成の２つのバイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂを図１１（ａ）に示すように配置した。なお、バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂに電圧が印加されない非駆動時には、突起部１２ａ、１２ｂが中間転写ベルト１９の裏面に接触しないように位置を調整してある。バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂは、厚さ５０μｍ、幅５６０ｍｍ、長さ２５ｍｍのステンレス板をシム材４として、この両面に厚さｔが３００μｍ、幅Ｗｃが８０ｍｍ、長さＬｃ２が１０ｍｍ（このうち、電極３の長さは５ｍｍ）のＰＺＴプレートを、それぞれ各６個、エポキシ系の導電性接着剤にて接着・固定したものである。バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂは、積層体全体の厚さが７００μｍであり、共振周波数が３ｋＨｚである。波高値が±４０Ｖ、周波数５ｋＨｚの矩形波交流を印加したところ、突起部１２ａ、１２ｂが振動振幅Ｕ１８μｍ、周波数５ｋＨｚで上下振動した。ここで、電源１３ａ、１３ｂの矩形波交流波形の位相差を１８０度（１／２周期）とした。その結果、中間転写ベルト１９の振動特性は図１１（ｂ）のようになり、１秒間に１０×１０^３回のパルス状の上方向加振が得られた。これは６００ｄｐｉ、１６ｉｐｓのライン数である９．６×１０^３回よりも大きく、中間転写ベルト１９上のトナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５に十分な慣性力Ｆ_Ｂを付与することができ、そのＦ_Ｂの値は１６ｎＮであった。この結果、トナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５は、コロナ転写器１８によりエンボス紙１６の裏面に付与された電荷による静電気力Ｆ_Ｅと慣性力Ｆ_Ｂとにより_、ファンデルワールス力による束縛から逃れて空隙１７を飛翔するトナー２０ｂ、２１ｂ、２２ｂとなり、凹凸のあるエンボス紙１６に良好な転写が可能であることがわかった。本実施例ではエンボス紙１６として連続紙を用いた場合について説明したが、カット紙であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂとして、図７の構成のものを用いたが、図４、図５、図６の構成のものを用いても良い。

図３は本発明の転写装置を用いた画像形成装置の構成を示す図である。２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄはそれぞれ、Ｋトナー画像形成部、Ｃトナー画像形成部、Ｍトナー画像形成部、Ｙトナー画像形成部であり、現像剤が異なるだけで基本的に同じ構成である。Ｋトナー画像形成部２８ａで構成を説明すると、ＯＰＣ感光ドラム１２３ａを帯電器１２４ａで帯電後、露光部１２５ａにより印刷画像に対応した静電潜像を形成し、現像機１２６ａにて感光ドラム１２３ａ上にＫトナー画像を形成する。トナー２０ａ、２１ａ、２２ａ、１１５は負帯電トナーであり、トナー画像は正極性の電圧が印加された転写ロール２７ａにより中間転写ベルト１９面に転写される。回動する中間転写ベルト１９面に順次、Ｃトナー画像、Ｍトナー画像、Ｙトナー画像が転写され、中間転写ベルト１９上にフルカラー画像が形成される。回動する中間転写ベルト１９を挟んでコロナ転写器１８およびバイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂが配置してある。印刷用紙１６はカット紙で、レジストローラ２９により転写部に搬送される。バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂには駆動電源１３ａ、１３ｂが接続してある。

本実施例の転写器の構成は実施例２で説明しているため説明を省略する。用紙１６上に転写されたトナー２０、２１、２２、１１５は、ヒートロール３０ａおよびバックアップロール３０ｂから構成されるヒートロール定着装置により用紙１６に溶融固着される。この場合、加振装置は画像形成装置内への実装上、回動する中間転写ベルト１９によって囲まれる空間内に設ける必要があり、実施例２との違いは、中間転写ベルト１９に対する加振装置の取り付けが上下逆になる点である。このため、バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂは突起部１２ａ、１２ｂが下方に変位した時に中間転写ベルト１９の裏面に接触して振動させ、トナーに慣性力Ｆ_Ｂを付与する。突起部１２ａ、１２ｂの材質としては、耐摩耗性に優れ、かつ比重の小さいものが好適であり、アルミニウムやポリカーボネートが良い。

バイモルフ型アクチュエータ７ａ、７ｂで構成される加振装置の駆動は、用紙１６の種類に応じて選択することができる。コート紙や表面の比較的平坦な上質紙の場合にはコロナ転写だけで行い、エンボス紙等の表面に凹凸のある用紙の場合にのみ加振装置を動作させても良い。もちろん、用紙１６の種類に係わらず、加振装置を動作させればトナーに慣性力が付与される分、転写性能が向上することは言うまでもない。

ここでは説明しなかったが、バイモルフ型アクチュエータとしては、図４、５、６、７に示すいずれの構成のものも使用することができる。

図１６は本発明で用いる転写性向上のための加振手段の主要デバイスである広幅圧電バイモルフ素子７の別の構成図である。図１６（ｂ）はシム材４の形状を示す。これは図１９（ｂ）に示すＴ型形状領域（４ａ、４ｂ）を３個、長方形状の領域４ｃで、つなげた形状である。厚さ５０μｍ、幅Ｌ_１が３０ｍｍ、幅Ｌ_２が４２２ｍｍの燐青銅板を加工したもので、Ｌ_ｗは１４０ｍｍ、Ｌ_ｓは１ｍｍである。図１６（ａ）に広幅圧電バイモルフ素子７の形状を示す。

シム材４の両面に、厚さ３００μｍ、幅Ｌ_ｗが１４０ｍｍ、長さＬ_ｃが３０ｍｍのＰＺＴ板１、５を各３個、分極２の方向が同じ方向（図１６（ａ）では下向き）になるように接着剤で接着する。図１９と同様、シム材の領域４ａと圧電体１、５との接着領域８には銀粒子を混入した導電性接着剤を、それ以外の領域９では絶縁性の接着剤を用いた。ともに硬化後の硬度は６０〜８０（ショアＤ）、ガラス転移点は７０〜８０℃とし、両接着剤の特性の差を小さくした。これは広幅圧電バイモルフ素子７として振動したとき、両接着剤硬化層８の境界で歪みが生じて界面剥離が生じるのを防ぐためである。

なお、使用したＰＺＴは、図８で用いたＰＺＴ特性と異なり、圧電歪定数ｄ_３１は３３０×１０^−１２（Ｃ／Ｎ）、ヤング率Ｙは５．９×１０^１０（Ｎ／ｍ^２）、密度７．７５×１０^３（ｋｇ／ｍ^３）である。ｄ_３１は３倍と大きいため、駆動電圧を±４０Ｖに下げることができ、振動変位量も大きい。接着剤は、使用したＰＺＴのキューリー点（１６０℃）よりも低い６０℃で、６時間かけて硬化させた。隣接する圧電体間にスペースＬ_ｋを設けたのは、圧電バイモルフ素子７に電圧を印加した際、圧電体１、５の変形がＹ方向だけでなく、Ｘ方向にも生じるため、隣接する圧電体同士が接触するのを防止するためである。

図１６（ｃ）は図１６（ａ）の広幅圧電バイモルフ素子７を用いた加振装置の構成を示す。広幅圧電バイモルフ素子７を、固定部材１０ａ、１０ｂを用いて広幅圧電バイモルフ素子７の幅Ｌｈの領域を上下より挟持したものである。給電用引き出し線１４を１０ａに設けた切り込み部１１ａ１、１１ａ２、１１ａ３から、上側の各圧電体の電極３ａＬ１、３ａＬ２、３ａＬ３に接続する。同様に、給電用引き出し線１５を１０ｂに設けた切り込み部１１ｂ１、１１ｂ２、１１ｂ３（図示せず）から下側の各圧電体の電極６ｂＬ１、６ｂＬ２、６ｂＬ３（図示せず）に接続する。

給電線１４、１５をまとめて駆動電源１３の高圧側に、シム材１４への給電線を駆動電源のアース側に接続する。交流駆動電源１３により、広幅圧電バイモルフ素子７に電圧を印加したとき、自由端領域３４（長さＬｆ）面の設けられた突起部材１２が上下に振動する。

図１７は本発明の転写装置を示す構成図である。ポリイミド樹脂を用いた中間転写ベルト１９上にＹ（イエロ）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（黒）の４色のマイナス帯電トナー２２、２３、２４、２１の色重ねによって形成されたカラートナー画像をエンボス紙１６の表面に転写する。中間転写ベルト１９の裏面側に図１６に示した加振手段を配置した。用紙の裏面にはコロナ転写器１８でプラス電荷２０が付与される。

中間転写ベルト１９の裏面に振動エネルギーを与えてトナー２２、２３、２４、２１に慣性力を生じさせることにより、中間転写ベルト１９からトナー２２、２３、２４、２１を飛翔させて用紙１６表面の空隙１７内に転写させる。ここでトナー２２、２３、２４、２１の粒径は９μｍである。Ｌｆが１０ｍｍの時、共振周波数は、１．６ｋＨｚとなる。広幅圧電バイモルフ素子７に駆動電圧として、波高値が±４０Ｖ、周波数１．６ｋＨｚの矩形波交流を印加したところ、突起部１２は約±２００μｍの変位で上下に振動した。これにより、中間転写ベルト１９上の各トナー２２、２３、２４、２１には約１２ｎＮの慣性力Ｆ_Ｂが働く。

この結果、トナー２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂはコロナ転写器１８により用紙１６の裏面に付与されたプラス電荷２０による静電気力Ｆ_Ｅの他に、上記慣性力Ｆ_Ｂが加わり、ファンデルワールス力による束縛から逃れて、用紙１６の凹部１７および平坦部に飛翔する。これにより、エンボス紙に良好な転写が可能になることがわかった。ここでは、用紙１６としてエンボス紙のカット紙を用いた場合を示したが、これにこだわることはなく、表面に凹凸のある用紙、平坦な用紙、また、連続紙を含む全ての用紙形態に適用できることはいうまでもない。

本実施例では広幅圧電バイモルフ素子７として、幅Ｌ２が４２２ｍｍのものを用いたが、シム材４の幅を拡げ、圧電体１、５の数を増やすことにより２０インチ幅以上の広幅圧電バイモルフ素子７を用いることができる。また、圧電体１、５として圧電フィルムであるＰＶＤＦフィルムを用いることができる。

図１８は本発明の転写装置を用いた画像形成装置の他の構成を示す図である。回動するＯＰＣ感光体ベルト２２８に対向して、Ｋトナー画像形成部２３０ａ、Ｃトナー画像形成部２３０ｂ、Ｍトナー画像形成部２３０ｃ、Ｙトナー画像形成部２３０ｄを配置している。それぞれ現像剤が異なる点を除けば、基本的に同じ構成である。以下、Ｋトナー画像形成部２３０ａおよびＣトナー画像形成部２３０ｂについて構成とプロセスを説明する。

ＯＰＣ感光体ベルト２２８を帯電器２２６ａで帯電後、レーザ光学系やＬＥＤ等の露光部２２７ａでＫトナー画像に対応した光パターンを露光して静電潜像を形成し、現像機２２９ａにてＯＰＣ感光体ベルト２２８上にＫトナー画像を形成する。次に、帯電器２２６ｂでＯＰＣ感光体ベルト２２８面を帯電して、露光部２２７ａの光照射で電位低下した領域の電位を回復させる。次に、露光部２２７ｂでＣトナー画像に対応した光パターンを露光して静電潜像を形成し、現像機２２９ｂによりＯＰＣ感光体ベルト２２８上にＣトナー画像を形成する。

ここで、少なくとも現像機２２９ｂ、２２９ｃ、２２９ｄの現像ロール面は、感光体ベルト２２８面と非接触に構成されていて、感光体ベルト２２８上に形成されたトナー画像を現像機ロールが掻き取るのを防止する。このようにして、順次、Ｍトナー画像、Ｙトナー画像を形成することにより、感光体ベルト２２８上にＫトナー２１ａ、Ｃトナー２２ａ、Ｍトナー２３ａ、Ｙトナー２４ａからなるカラー画像が形成される。

回動するＯＰＣ感光体ベルト２２８の外側にコロナ転写器１８、内側に圧電バイモルフ素子７を用いた加振手段３２５を配置している。加振手段３２５には駆動電源１３が接続されている、駆動電源１３は矩形波交流または正弦波交流源である。圧電バイモルフ素子７の突起部１２が下方に変位したときに感光体ベルト２２８の裏面に接触し、トナー２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａに慣性力Ｆ_Ｂを付与する機能を持つ。

印刷用紙１６はカット紙で、レジストローラ３１により転写部に搬送される。用紙１６に転写されたトナー２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａは、ヒートロール３０ａとバックアップロール３０ｂとを含むヒートロール定着装置により、用紙１６に溶融固着され、印刷が完了する。

加振手段３２５の駆動は用紙１６の種類に応じて選択できる。コート紙や表面の比較的平坦な上質紙の場合にはコロナ転写だけを行い、エンボス紙のように表面に凹凸のある場合には加振装置を動作させるようにする。もちろん、用紙１６の種類にかかわらず加振手段３２５を動作させれば、トナー２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａに慣性力が付与される分、転写性能が向上することは言うまでもない。また、ここではカット紙を使用した場合を示したが、用紙１６の搬送系を連続紙対応に変更すれば、連続紙にも対応可能である。

実施例３のＯＰＣ感光体ベルト２２８は、実施例２の中間転写ベルト１９と同様、トナー像担持体となる。このように、可撓性を有するトナー像担持体から記録媒体にトナー像を転写する場合に、本発明の転写装置が適用できる。また、実施例２、３では４色のトナー２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａを用いたカラー印刷の場合を示したが、モノクロ画像にも適用できることは言うまでもない。

電子写真方式のプリンタは高速で可変情報を用紙等の記録媒体に印刷できるという特長があり、業務用印刷の分野から個人印刷用途まで幅広い分野で用いられるようになった。これに伴い、従来、電子写真方式の画像形成装置では対応できなかった多種用紙や広幅用紙への印刷が要望されるようになってきた。用紙種としては低価格用紙である粗面紙への印刷、紙資源の有効活用としての用紙両面への印刷、チケットやパンフレット等の用途でのエンボス紙へのカラー印刷である。また、広幅用紙としてはＡ３カット紙横幅（４２０ｍｍ）から２０．５インチ幅超の連続紙まである。これらに対応するための転写機構部の課題は、用紙表面の凹凸が大きく、感光体や中間転写体等のトナー像担持体との密着性が悪い状態であっても、広い面積にわたってトナー画像を均一に転写することが可能で、かつ、これを小型、低消費電力の転写装置を開発することである。

本発明の転写装置は、圧電体の横振動（ｄ_３１モード）を利用したバイモルフ構成素子の機械振動を応用したもので、広い面積にわたってトナー画像を均一に転写することが可能である。また、従来の圧電体の縦振動（ｄ_３３モード）を利用した超音波振動子とホーンとを組み合わせる方式に比べて加振装置の小型化と低消費電力化が可能である。これにより、本発明の転写装置を適用することにより、従来の電子写真方式では対応できなかった様々な種類の用紙や広幅の用紙に高い品質で印刷できるようになり、粗面紙、両面印刷、エンボス紙に対応できる画像形成装置を実現できる。

本発明による実施例１の転写装置を示す構成図である。 本発明による実施例２の転写装置を示す構成図である。 本発明による実施例３の転写装置を示す構成図である。 本発明による実施例を示す圧電バイモルフ素子の構成図である。 本発明による他の実施例を示す圧電バイモルフ素子の構成図である。 本発明による他の実施例を示す圧電バイモルフ素子の構成図である。 本発明による他の実施例を示す圧電バイモルフ素子の構成図である。 本発明による圧電バイモルフ素子を用いた加振装置の構成を示す説明図である。 本発明による圧電バイモルフ素子を用いた加振装置の他の構成を示す説明図である。 本発明による圧電バイモルフ素子を用いたベルトへの加振特性の説明図である。 本発明による圧電バイモルフ素子を用いた別の加振装置によるベルトへの加振特性の説明図である。 圧電体の横効果振動を示す説明図である。 圧電バイモルフ素子の構成および電圧印加時の変位特性を示す説明図である。 表面に凹部を有する用紙へのトナーの静電転写を示す説明図である。 静電転写時にトナーに働く力を示す説明図である。 本発明による実施例４の広幅圧電バイモルフ素子およびこれを用いた加振手段を示す構成図である。 本発明による実施例４を示す加振手段を用いた転写装置の構成図である。 本発明による実施例５の画像形成装置を示す構成図である。 本発明による圧電バイモルフ素子を説明する分解図である。 本発明による圧電バイモルフ素子を用いた加振手段を説明する構成図である。 従来の圧電バイモルフ素子を示す構成図である。

符号の説明

１、５：圧電体、２：自発分極、４：シム材、３、６：電極、７：圧電バイモルフ素子、８：導電性接着剤層、９：絶縁性接着剤層、１０：固定部材、１１：固定部材の切り込み部、１２：突起部、１３：駆動電源、１６：用紙、１７：用紙表面の空隙、１８：コロナ転写器、１９：中間転写ベルト、２１、２２、２３、２４：トナー、２５：加振手段。

Claims (28)

1. トナー像担持体と、コロナ転写手段とを対向して設置し、該トナー像担持体と該コロナ転写手段との間の転写領域に搬送される記録媒体に、該トナー像担持体上に形成されたトナー像を静電的に転写する転写装置であって、該トナー像担持体を挟んで該コロナ転写手段に対向する位置に、該トナー像担持体の裏面に振動エネルギーを付与する加振装置を設け、該加振装置が、圧電バイモルフ型アクチュエータの一端を支持固定した片持ち支持構成体を有し、表面に電極を形成した一対の圧電体を貼り合わせた構造を有し、該片持ち支持構成体の支持固定部とは反対側の端部に突起部を設け、該圧電体に電圧を印加した時に生じる往復振動を、該突起部を介して該トナー像担持体の裏面に伝える構成であることを特徴とする転写装置。
2. 前記圧電体が圧電セラミックスあるいは圧電フィルムであって、弾性補強板である１枚のシム材に複数個の前記圧電体を貼り合わせた構成であることを特徴とする請求項１記載の転写装置。
3. 前記シム材の幅が、前記記録媒体への転写領域幅と同じか、それ以上であって、シム材を挟んで両側の表面に電極を形成した複数個の圧電セラミックス板を転写領域幅方向に配列して貼り合わせ、電圧を印加した時に生じる個々の圧電体の伸張・収縮を、シム材を共通ベースとして転写領域に伝達する、広幅の圧電バイモルフ型アクチュエータを設けたことを特徴とする請求項２に記載の転写装置。
4. 前記圧電バイモルフ型アクチュエータの支持固定部とは反対側の端部に設けた前記突起部が、金属あるいは樹脂で作られた一体構造体を含み、前記圧電体あるいは前記シム材の表面に接着固定したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転写装置。
5. 前記支持固定部の圧電体領域を、電圧印加時に伸張・収縮しない不活性領域とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転写装置。
6. 前記支持固定部とは反対側の端部に設けた前記突起部の圧電体領域を、電圧印加時に伸張・収縮しない不活性領域とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転写装置。
7. 前記不活性領域は前記圧電体の分極処理時にあらかじめ分極しない領域を設けておくか、あるいは前記圧電体の全面が分極されたものであっても、圧電体面に駆動電極を持たないことを特徴とする請求項５または６に記載の転写装置。
8. 前記圧電バイモルフ型アクチュエータが、前記シム材を挟んで両側に、前記圧電体を、前記圧電体の厚さ方向の分極方向が互いに同方向になるように貼り合わせたパラレル構成であって、前記突起部を設ける側の前記圧電体の寸法を前記シム材の寸法より短くし、前記圧電体よりはみ出した前記シム材の表面に前記突起部を設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の転写装置。
9. 前記圧電バイモルフ型アクチュエータが、前記シム材を挟んで両側に、前記圧電体を、前記圧電体の厚さ方向の分極方向が互いに同方向になるように貼り合わせたパラレル構成であって、前記支持固定部を設ける側の前記シム材の寸法を前記圧電体の寸法より長くし、前記圧電体からはみ出した前記シム材を支持固定したことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の転写装置。
10. 前記圧電体に印加するための電源が、交番電圧を発生させるものであり、該交番電圧は、正弦交流あるいは矩形波交流であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転写装置。
11. 前記圧電体に印加する電源が、片側極性のパルス電圧を発生させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の転写装置。
12. 前記突起部を設けた構成の圧電バイモルフ型アクチュエータ２個を、２個の圧電バイモルフ型アクチュエータの突起部を近接させて、前記トナー像担持体を挟んで前記コロナ転写手段に対向する位置に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の転写装置。
13. 前記２個の圧電バイモルフ型アクチュエータに印加するための電源が、交番電圧あるいはパルス電圧を発生させるものであり、一方の圧電体に印加する電圧波形の位相と、もう一方の圧電体に印加する電圧波形の位相とが、１／２周期ずれていることを特徴とする請求項１２記載の転写装置。
14. 前記電源の交番電圧あるいはパルス電圧の周波数を、前記片持ち支持構成体の共振周波数としたことを特徴とする請求項１０、１１または１３に記載の転写装置。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の転写装置と、前記記録媒体に転写されたトナー画像を定着する定着機とを備えた画像形成装置。
16. トナー像担持体と、コロナ転写手段とを対向して設置し、該トナー像担持体を挟んで該コロナ転写手段に対向する位置に、該トナー像担持体の裏面に振動エネルギーを付与する加振装置を設け、該トナー像担持体と該コロナ転写手段との間の転写領域に搬送される記録媒体に、該トナー像担持体上に形成されたトナー像を静電的に転写する転写装置であって、該加振装置が、表面に電極を形成した一対の圧電体をシム材の両面に貼り合わせた構造の圧電バイモルフ素子の一端を支持し、かつ、他端に突起部を設けた片持ち支持構造体を含み、該圧電体の表面の電極とシム材との間に駆動電圧を印加した時、該圧電バイモルフ素子を支持する部位の該圧電体には、電圧が印加されないことを特徴とする転写装置。
17. 前記圧電体の表面に形成した電極とシム材とが重なる部分を有し、実質的に逆圧電効果による歪みが生じる前記圧電体の部位には、前記圧電バイモルフ素子を支持する部位を含まないことを特徴とする請求項１６記載の転写装置。
18. 前記圧電体の表面に形成した前記電極と前記シム材とが重なる部分を有し、実質的に逆圧電効果による歪みが生じる前記圧電体の部位は、前記圧電バイモルフ素子の自由端を含む振動領域のみとなることを特徴とする請求項１６記載の転写装置。
19. 前記圧電体が圧電セラミックス板あるいは圧電フィルムで形成され、前記圧電体の全面が厚さ方向に分極処理され、前記電極は、該圧電セラミックス板あるいは該圧電フィルムの表面の、特定の領域のみに形成したことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の転写装置。
20. 前記圧電バイモルフ素子が、前記シム材を挟んで両側に、前記圧電体を、接着剤層を介して接着してあり、前記圧電体と前記シム材との接着部位が、導電性接着剤を用いる部位と絶縁性接着剤を用いる部位とを含むことを特徴とする請求項１６記載の転写装置。
21. 前記導電性接着剤および前記絶縁性接着剤の硬化後の硬度とそれらのガラス転移点がほぼ同じであることを特徴とする請求項２０記載の転写装置。
22. 前記圧電体表面の前記電極からの引き出し線を、前記圧電バイモルフ素子の支持部材領域に設けたことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれかに記載の転写装置。
23. 前記圧電体が圧電セラミックス板あるいは圧電フィルムを含み、前記シム材の幅が、記録媒体への転写領域幅と同じか、それ以上であって、前記シム材の両面に、所定間隙を設けて複数個の前記圧電体を転写領域幅方向に配列して貼り合わせ、電圧印加時における個々の前記圧電体の伸張・収縮を、前記シム材を共通ベースとして受容する、広幅の圧電バイモルフ素子としたことを特徴とする請求項１６〜２２のいずれかに記載の転写装置。
24. トナー画像が表面に形成された中間転写ベルトあるいは感光ベルトを含むトナー像担持体と、回動する該トナー像担持体に対向して配置され、該トナー画像を記録媒体に転写する請求項２３記載の転写装置とを備えたことを特徴とする画像形成装置。
25. 感光ドラムと、帯電器と、印刷画像に対応した光パターンを露光して該感光ドラム上にトナー画像を形成する露光部と、該トナー画像を転写ロールにより転写する中間転写ベルトと、回動する該中間転写ベルトに対応して配置され、該トナー画像を記録媒体上に静電的に転写する請求項２３記載の転写装置とを備えたことを特徴とする画像形成装置。
26. 帯電器と、印刷画像に対応した光パターンを露光して感光体ベルト上にトナー画像を形成する露光部と、回動する該感光体ベルトに対応して配置され、該トナー画像を記録媒体上に静電的に転写する請求項２３記載の転写装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
27. 前記圧電セラミックス板の両面に電極を設け、前記圧電セラミックス板の、該電極を設けた領域が、直流高電圧を印加して分極処理したものであり、該電極の一部を除去し、前記圧電バイモルフ素子として駆動するための駆動電圧を印加するために必要な領域のみに該電極を残したことを特徴とする請求項１９記載の転写装置。
28. トナー像担持体と、コロナ転写手段とを対向して設置し、該トナー像担持体を挟んで該コロナ転写手段に対向する位置に、該トナー像担持体の裏面に振動エネルギーを付与する加振装置を設け、該加振装置が、表面に電極を形成した一対の圧電体をシム材の両面に貼り合わせた構造の圧電バイモルフ素子の一端を支持し、かつ、他端に突起部を設けた片持ち支持構造体を含み、該トナー像担持体と該コロナ転写手段との間の転写領域に搬送される記録媒体に、該トナー像担持体上に形成されたトナー像を静電的に転写する転写装置の製造方法であって、該圧電体を圧電セラミックス板で形成する工程と、該圧電体の全面を厚さ方向に分極処理する分極処理工程とを含み、該分極処理工程が、該圧電セラミックス板の両面に分極処理用電極を形成する工程と、該分極処理用電極に直流高電圧を印加して分極処理を行う工程と、該分極処理用電極の一部を除去し、該圧電セラミックス板の表面の電極とする工程とを含むことを特徴とする転写装置の製造方法。

Images