JP5157097B2 - 画像形成装置の帯電工程評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンタやファクシミリ、またはそれらの複合機などの画像形成装置における、帯電ローラを用いた直流帯電工程を備えた画像形成装置の帯電工程評価方法に関する。

電子写真プロセスを用いた画像形成装置では、感光体を帯電し、露光、現像、転写、定着することにより画像形成が行われる。帯電工程では、従来からスコロトロン帯電器が用いられてきたが、環境問題からオゾン、ＮＯｘ等の有害ガスの発生が少なく、装置を小型にすることができる帯電ローラが帯電器として用いられている。
帯電ローラを用いた帯電工程では、直流電圧に交流電圧を重畳した電圧を印加する、所謂ＡＣ帯電方式が用いられてきている（例えば、特許文献１、２ 参照。）。ＡＣ帯電方式は、感光体を帯電する能力が非常に高く、感光体の帯電電位は均一になりやすい。しかしながら、ＡＣ帯電方式は１秒間に交流電圧の周波数の回数、正帯電と負帯電が起こる。一回の帯電で発生するエネルギーは大きく、有機物を酸化分解するエネルギーを有するため、感光体と帯電ローラが早期に酸化、劣化してしまう。また、ＡＣ帯電により酸化された感光体表面および帯電ローラ表面は、トナー成分（トナー樹脂、ワックス、外添物質（シリカ、酸化チタン等））や、紙の成分等が吸着しやすくなるため、これらの物質が感光体や帯電ローラに付着して、除去できなくなってしまうことがある。このような現象が感光体で起こると、高湿環境で、感光体の表面抵抗が低下してしまい、潜像が平準化して、画像が流れてしまう現象が生じる。また、帯電ローラでは、低湿環境で、帯電ローラの抵抗が部分的に上昇し、その箇所で帯電不良を引き起こしてしまっていた。

一方、帯電ローラに直流電圧のみを印加する画像形成装置も提案されている（例えば特許文献３ 参照。）。しかし、帯電ローラに直流電圧のみを印加する画像形成装置では、感光体や帯電ローラの劣化はＡＣ帯電を用いた場合に比べて圧倒的に低いのであるが、帯電ムラが生じやすかった。これは、ＡＣ帯電の場合は、正帯電と負帯電を繰り返しながら、直流電圧の電位に感光体の帯電電位は収束していくのであるが、直流電圧のみを印加させた場合には、コンデンサーモデルに従い、一方向のみしか放電は生じない。即ち、感光体が全く帯電していない状態で、帯電ローラに直流電圧を印加すると、印加直後に大きな放電電流が流れ、感光体の帯電電位が高くなるに従い、急速に放電電流は流れなくなってしまう。感光体の表面抵抗と、帯電ローラの抵抗が完全に均一で、感光体と帯電ローラの組み付け精度が完全であれば、感光体の帯電電位にムラは生じないが、感光体への書き込みが１０００ｄｐｉを超える高画質の画像形成を行う場合には、感光体の帯電ムラが無視できなくなり、高品質の画像形成を行うことができなかった。

特開２００１−１９４８６８号公報 特開２００５−３０９０７３号公報 特開２００４−２８７０２７号公報

本発明者らは、帯電ローラに直流電圧のみを印加した場合、何故、帯電ムラが生じるか詳細に観察を行った。感光体と接触式の帯電ローラをセットし、感光体上の或る１点（以下Ａ点と呼ぶ）に着目しながら感光体を回転させ、帯電ローラに直流電圧を印加する。パッシェン則に従い、Ａ点と帯電ローラ表面の距離が一定以下になった時点で放電が開始する。さらにＡ点が回転して帯電ローラ表面との距離が近くなると、パッシェン則によって放電が生じる感光体と帯電ローラの間の限界電位差は小さくなるが、それ以前の放電によりＡ点の電位が高くなっているため、Ａ点と帯電ローラの間の電位差も小さくなり、放電は生じにくくなる。さらにＡ点が回転して、感光体と帯電ローラの距離が一定以下になると、放電はもう生じなくなる。Ａ点が感光体と帯電ローラが接している箇所を過ぎ、さらに回転して、パッシェン則の放電可能な距離に達しても、Ａ点の電位が高くなってしまっており、Ａ点と帯電ローラの間の電位差が小さくなっているため、放電はほとんど起こらない。このように、帯電ローラに直流電圧のみを印加する場合には、放電が起こるのは感光体と帯電ローラが接する箇所よりも上流側で、しかも連続的にしか起こらない。感光体と帯電ローラが接する箇所よりも下流側で、感光体の帯電ムラが広範囲にわたる場合には、放電が生じることもあるが、通常、帯電ムラの部分が小さな斑点状であるため、帯電ムラが生じていない正常な帯電電位の部分に影響されて、放電は起こらない場合が多い。
一方、帯電ローラに直流電圧と交流電圧を重畳した場合には、正放電と逆放電が１秒間に周波数の数だけ生じ、放電が起こるのは感光体と帯電ローラが接する箇所よりも上流側だけでなく、下流側でも生じるため、放電が生じにくい場所も、放電が生じ、帯電電位は均一になる。

本発明者らは、帯電ローラに直流電圧のみを印加した場合の感光体の電位変化についてさらに観察を行ったところ、感光体の線速が遅い場合には、感光体と帯電ローラが接する箇所よりも下流側で放電が起こる場合があることを見出した。それは、放電により感光体が帯電されても、電荷は放電が生じた箇所に留まっているのではなく、暗減衰により電荷が消失したり、電荷が拡散したりして、放電が生じることができる広さの箇所が生じるためであると考えられた。感光体と帯電ローラが接する箇所よりも下流側でこの放電が生じることができる広さの箇所が再構成されるためには、ある程度の時間が必要であり、感光体と帯電ローラが接する箇所の前後のパッシェン則で放電の生じない箇所を通過する時間が重要であることを見出した。

しかし、パッシェン則では、導体間での放電について示されるが、感光体および帯電ローラ共に容量成分があるため、実際には放電ができる電位差はパッシェン則よりも高く、実際に放電ができる感光体と帯電ローラの距離は広く、画像形成装置によって異なる。
そのため、本発明者らは、放電が生じることができる箇所および、放電が生じない箇所を計測できないか検討を重ねたところ、感光体と帯電ローラを接触して配置し、双方を回転させない状態で、感光体に光を当てながら、帯電ローラに直流電圧を断続的に印加すると、放電が生じた場所には、感光体表面に二本のスジ（放電痕）が生じることを見出した。
この感光体の放電痕の中央の間隔（隙間の幅）と、感光体の線速とが、特定の範囲内であれば、感光体の帯電電位は均一となり、高解像度でありながら、高画質の画像形成が可能であることを見出し、本発明に到った。

請求項１に記載の発明では、画像作成時に線速ｖとして８０〜５００（ｍｍ／秒）で回転し、直径が２０〜１５０ｍｍの導電性支持体の上に少なくとも感光層が設けられている感光体と、該感光体に接触して回転する直径が１２〜２５ｍｍの帯電ローラと、該帯電ローラと前記感光体の感光層との間に直流電圧を印加して放電を生じさせ該感光層を所定の極性に帯電させる電源と、該電源から−１４００〜−３５００Ｖの直流電圧を印加する帯電工程とを備えた画像形成装置の帯電工程評価方法において、前記感光体と前記帯電ローラを接触加圧させた状態で、光を照射し、前記感光体と前記帯電ローラの双方を回転させずに前記直流電圧を断続的に一定時間印加して前記感光体の感光層表面に、放電が生じていない箇所の幅が０．８〜４．０ｍｍの２本の放電痕を生じさせるステップと、前記感光体の感光層表面に生ずる前記２本の放電痕の間隔ｗ（ｍｍ）を測定するステップと、該間隔ｗと前記線速ｖの比ｗ／ｖ（秒）が、０．００５〜０．０３５の場合に前記感光体の感光層表面の帯電電位が均一となることを評価するステップを有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の画像形成装置の帯電工程評価方法において、前記直流電圧は、０．５ｍ秒印加、０．５ｍ秒休止の繰り返しを２０分間行うことを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の画像形成装置の帯電工程評価方法において、前記帯電ローラは少なくとも表面近傍が弾性を有しており、該帯電ローラの前記感光体と接触する箇所が変形することを特徴とする。

本発明によれば、高速の画像形成においても、均一な帯電電位を得ると共に、感光体および帯電ローラの酸化劣化が少なく、感光体や帯電ローラの寿命の長い画像形成装置の帯電工程評価方法を提供することができる。

本発明者らは、通常の画像形成装置を用いた詳細な実験により以下のことを明らかにした。
感光体と帯電ローラが接触した状態で、光の当たる環境で、感光体と、帯電ローラの双方を回転させずに、直流電圧を断続的に一定時間印加したとき、感光体に生じる画像形成域の放電痕の中央部の隙間の幅ｗ（ｍｍ）と感光体の線速ｖ（ｍｍ／秒）との比（ｗ／ｖ）は０．００５〜０．０３５秒、好ましくは０．００６〜０．０３２秒、さらに好ましくは０．００７〜０．０３０秒である。
ｗ／ｖ（秒）というパラメータは、感光体上の任意の一点が、幅ｗの隙間部分を通過する時間である。
ｗ／ｖが０．００５秒以下では、感光体と帯電ローラが接触した上流側で帯電した感光体上の電荷が再配置するためには時間が短く、感光体と帯電ローラとの接触位置より下流側で帯電電位が低い箇所があっても放電が起こらないため、帯電電位ムラが生じ、画像品質が低下するので、好ましくない。ｗ／ｖが０．３５秒以上では、画像形成のスピードが遅くなり、実用的でない。

本発明の画像形成装置における、感光体、帯電ローラの双方を回転させずに、一定時間、直流電圧を断続的に印加する際の、直流電圧は、実際の画像形成装置で印加される電圧であることが好ましい。一般に、帯電ローラは、イオン伝導性と電子伝導性の両方の伝導機構を有しており、特にイオン伝導は、環境（温度、湿度）により変化するため、画像形成装置には、温湿度計を搭載して、温湿度により帯電ローラに印加する電圧を変えたり、画像形成される画像の濃度を測定し、画像濃度が一定になるよう、帯電ローラに印加する電圧を変えることが多い。そのため、画像形成装置が主に用いられる環境（例えば、温度２３℃、湿度５５％）で、フレッシュな現像剤を用いた場合での印加条件にしていることが好ましい。通常帯電ローラに印加する電圧は１４００〜３５００（−Ｖ）、好ましくは１４５０〜３２５０（−Ｖ）、さらに好ましくは１５００〜３０００（−Ｖ）である。

本発明の画像形成装置における、感光体、帯電ローラの双方を回転させずに、一定時間、直流電圧を断続的に印加し、帯電痕を形成させる際には、感光体に光を当てた状態で行わなければならない。感光体に光を当てることで、感光体が帯電されても、直ぐに感光体の電位は０Ｖ近くになり、放電が繰り返し行うことができるようになるからである。暗室の中で、帯電を行っても、放電は直ぐに終了してしまうため、感光体上に放電痕は生じない。感光体に当てる光としては、感光体の感度が有する波長であれば、特定の波長の光であっても良いが、白色光（白熱球、蛍光灯）であれば、感光体の感度が有する波長を含んでいるため、好ましい。光の強さは、オフィス環境レベルであれば十分であり、照度計での測定値が７５ｌｘ以上、好ましくは１００ｌｘ以上、さらに好ましくは、１２０〜５００ｌｘである。

本発明の画像形成装置における、感光体、帯電ローラの双方を回転させずに、一定時間、直流電圧を断続的に印加する際の、印加方法としては放電痕が感光体上に生じるのであれば、どのような条件であっても良いが、１秒当たりの直流電圧の印加する回数は、５００〜３０００回、好ましくは、７５０〜２０００回、さらに好ましくは、９００〜１５００回であり、インターバルは０．１〜１ｍ秒、好ましくは０．２〜０．８ｍ秒である。帯電を行うトータルの時間は５〜６０分、好ましくは、１０〜３０分である。

図１は感光体に生ずる放電痕の模式図である。
同図において符号Ｍは放電痕、ｗは２本の放電痕の間隔をそれぞれ示す。
放電痕Ｍは連続した二本のスジ（Ｍ１、Ｍ２）であり、それらのスジの間には、放電が生じていない箇所を観察することができる。この放電が生じていない箇所の幅ｗを測定する。ｗの値としては、０．８〜４．０ｍｍ、好ましくは、１．０〜３．７ｍｍ、さらに好ましくは１．２〜３．５ｍｍである。ｗが０．８ｍｍ以下であると、感光体と帯電ローラが接触した上流側で帯電した感光体上の電荷が再配置するまでの時間が短く、感光体と帯電ローラが接触した下流側で帯電電位が低い箇所に放電が起こらないため、帯電電位ムラが生じ、画像品質が低下する。ｗが４．０ｍｍ以上では、帯電ローラの径を大きくしなければならず、画像形成装置が大きくなってしまい好ましくない。

本発明の画像形成装置における、放電痕は、光学的顕微鏡、電子顕微鏡等により容易に観察することができる。
この観察は破壊検査になるので、観察に使用した感光体は、画像形成装置として実使用することはできない。帯電ローラも放電痕が残ることがあり、同様である。ただし、感光体と帯電ローラは静止状態で電圧印加をしているので、同じ感光体、および帯電ローラを用い、両者の対向する位置を変えることで繰り返し別の放電痕を形成して観察することができる。
このような観察は、原則として設計段階で実験装置を作って行うことによって、最良の画像を形成するための各種パラメータを設定することができるが、完成した画像形成装置を用いて行って、同一ロットの感光体の線速や、感光体と帯電ローラの接触圧、印加する直流の電圧値等を修正することもできる。また、使用中の画像形成装置に問題が生じたときなどに同様の観察を行って問題点の洗い出しを行うこともできる。

本発明の画像形成装置における感光体の線速ｖは、８０〜５００ｍｍ／秒、好ましくは、９０〜４５０ｍｍ／秒、さらに好ましくは、１００〜４００ｍｍ／秒である。感光体の線速ｖが８０ｍｍ／秒未満では、画像形成の速度が遅く実用的ではない。感光体の線速ｖが５００ｍｍ／秒以上では、上流側で帯電した感光体上の電荷が再配置するまでの時間が短く、感光体と帯電ローラが接触した下流側で帯電電位が低い箇所に放電が起こらないため、帯電電位ムラが生じ、画像品質が低下するため、好ましくない。

本発明の画像形成装置においては、前述の２本の放電痕の間の距離ｗを大きくすることが重要となる。そのためには、帯電ローラの径を大きくすることが最も有効な手段である。帯電ローラの径としては画像形成装置、プロセスカートリッジの許す大きさ内で、できるだけ大きくした方が好ましいが、１２〜２５ｍｍ、好ましくは、１３〜２３ｍｍ、より好ましくは、１４〜２０ｍｍである。帯電ローラの径が１２ｍｍ以下では、ｗを大きく取れないため、画像形成装置の線速を遅くしなければ、高画質の画像形成を行うことができず好ましくない。帯電ローラの径が２５ｍｍ以上では、画像形成装置、プロセスカートリッジが大きくなってしまい好ましくない。
また、弾性体の帯電ローラを用い、感光体に押し当て、感光体と接している部分の帯電ローラを変形させることも有効な方法である。しかし、感光体と接する帯電ローラの変形量が大きすぎると、帯電ローラの寿命が短くなり、感光体の負担が大きくなりやすいため、帯電ローラと感光体が接している幅は、３ｍｍ以下、好ましくは２．５ｍｍを上限とすることが好ましい。

本発明の画像形成装置に用いる感光体は、導電性支持体の上に感光層が設けられている。感光層の構成は電荷発生材と電荷輸送材を混在させた単層型、あるいは電荷発生層の上に電荷輸送層を設けた順層型、あるいは電荷輸送層の上に電荷発生層を設けた逆層型がある。また、感光層の上に保護層を設けることもできる。感光層と導電性支持体の間には下引き層が設けられていてもよい。また各層には必要により可塑剤、酸化防止剤、レベリング剤等を適量添加することもできる。

感光体の導電性支持体としては、体積抵抗１０^１０Ω・ｃｍ 以下の導電性を示すもの、例えば、アルミニウム、ニッケル、クロム、ニクロム、銅、金、銀、白金などの金属、酸化スズ、酸化インジウムなどの金属酸化物を、蒸着またはスパッタリングにより、フィルム状もしくは円筒状のプラスチック、紙に被覆したもの、あるいはアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ステンレスなどの板、およびそれらを、押し出し、引き抜きなどの工法でドラム状に素管化後、切削、超仕上げ、研摩などの表面処理した管などを使用することができる。ドラム状の支持体としては、直径が２０〜１５０ｍｍ、好ましくは、２４〜１００ｍｍ、さらに好ましくは２８〜７０ｍｍのものを用いることができる。ドラム状の支持体の直径が２０ｍｍ以下では、ドラム周辺に帯電、露光、現像、転写、クリーニングの各工程を配置することが物理的に難しく、ドラム状の支持体の直径が１５０ｍｍ以上では画像形成装置が大きくなってしまい好ましくない。特に、画像形成装置がタンデム型の場合には、複数の感光体を搭載する必要があるため、直径は７０ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下であることが好ましい。また、公知のエンドレスニッケルベルト、エンドレスステンレスベルトも導電性支持体として用いることができる。

本発明の画像形成装置に用いる感光体の下引層としては樹脂、あるいは白色顔料と樹脂を主成分としたもの、および導電性基体表面を化学的あるいは電気化学的に酸化させた酸化金属膜等が例示できるが、白色顔料と樹脂を主成分とするものが好ましい。白色顔料としては、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛等の金属酸化物が挙げられ、中でも導電性基体からの電荷の注入防止性が優れる酸化チタンを含有させることが最も好ましい。下引層に用いる樹脂としてはポリアミド、ポリビニルアルコール、カゼイン、メチルセルロース等の熱可塑性樹脂、アクリル、フェノール、メラミン、アルキッド、不飽和ポリエステル、エポキシ等の熱硬化性樹脂、これらの中の一種あるいは多種の混合物を例示することができる。

本発明の画像形成装置に用いる感光体の電荷発生物質としては、例えば、モノアゾ系顔料、ビスアゾ系顔料、トリスアゾ系顔料、テトラキスアゾ顔料等のアゾ顔料、トリアリールメタン系染料、チアジン系染料、オキサジン系染料、キサンテン系染料、シアニン系色素、スチリル系色素、ピリリウム系染料、キナクリドン系顔料、インジゴ系顔料、ペリレン系顔料、多環キノン系顔料、ビスベンズイミダゾール系顔料、インダスロン系顔料、スクアリリウム系顔料、フタロシアニン系顔料等の有機系顔料および染料や、セレン、セレン−ヒ素、セレン−テルル、硫化カドミウム、酸化亜鉛、酸化チタン、アモルファスシリコン等の無機材料を使用することができ、電荷発生物質は一種あるいは多種混合して使用することができる。

本発明の画像形成装置に用いる感光体の電荷輸送物質としては、例えば、アントラセン誘導体、ピレン誘導体、カルバゾール誘導体、テトラゾール誘導体、メタロセン誘導体、フェノチアジン誘導体、ピラゾリン化合物、ヒドラゾン化合物、スチリル化合物、スチリルヒドラゾン化合物、エナミン化合物、ブタジエン化合物、ジスチリル化合物、オキサゾール化合物、オキサジアゾール化合物、チアゾール化合物、イミダゾール化合物、トリフェニルアミン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アミノスチルベン誘導体、トリフェニルメタン誘導体等の一種あるいは多種を混合して使用することができる。

上記電荷発生層、電荷輸送層の感光層を形成するのに使用する結着樹脂としては、電気絶縁性であり、それ自体公知の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、および光導電性樹脂等を使用することができ、適当な結着樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−無水マレイン酸共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタール、ポリエステル、フェノキシ樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネ−ト、ポリアリレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、イソシアネート樹脂、アルキッド樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化性アクリル樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルアントラセン、ポリビニルピレン等の光導電性樹脂など一種の結着樹脂、あるいは多種の結着樹脂の混合物を挙げることができるが、特にこれらのものに限定されるものではない。

酸化防止剤としては、例えば以下のものが使用される。
［モノフェノール系化合物］
２，６−ジ−ｔ−ブチル−ｐ−クレゾール、ブチル化ヒドロキシアニソール、２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−エチルフェノール、ステアリル−β−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート、３−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシニソールなど。
［ビスフェノール系化合物］
２，２'−メチレン−ビス−（４−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、２，２'−メチレン−ビス−（４−エチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、４，４'−チオビス−（３−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、４，４'−ブチリデンビス−（３−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）など。
［高分子フェノール系化合物］
１，１，３−トリス−（２−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ブタン、１，３，５−トリメチル−２，４，６−トリス（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）ベンゼン、テトラキス−［メチレン−３−（３'，５'−ジ−ｔ−ブチル−４'−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］メタン、ビス［３，３'−ビス（４'−ヒドロキシ−３'−ｔ−ブチルフェニル）ブチリックアシッド］グリコールエステル、トコフェノール類など。

［パラフェニレンジアミン類］
Ｎ−フェニル−Ｎ'−イソプロピル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ'−ジ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ−フェニル−Ｎ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ'−ジ−イソプロピル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ'−ジメチル−Ｎ，Ｎ'−ジ−ｔーブチル−ｐ−フェニレンジアミンなど。
［ハイドロキノン類］
２，５−ジ−ｔ−オクチルハイドロキノン、２，６−ジドデシルハイドロキノン、２−ドデシルハイドロキノン、２−ドデシル−５−クロロハイドロキノン、２−ｔ−オクチル−５−メチルハイドロキノン、２−（２−オクタデセニル）−５−メチルハイドロキノンなど。

［有機硫黄化合物類］
ジラウリル−３，３'−チオジプロピオネート、ジステアリル−３，３'−チオジプロピオネート、ジテトラデシル−３，３'−チオジプロピオネートなど。
［有機燐化合物類］
トリフェニルホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホスフィン、トリ（ジノニルフェニル）ホスフィン、トリクレジルホスフィン、トリ（２，４−ジブチルフェノキシ）ホスフィンなど。

可塑剤としては、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレートなどの一般的な樹脂の可塑剤として使用されているものがそのまま使用でき、その使用量は結着樹脂１００重量部に対して０〜３０重量部程度が適当である。
電荷輸送層中にレベリング剤を添加してもかまわない。レベリング剤としては、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル等のシリコーンオイル類や、側鎖にパーフルオロアルキル基を有するポリマーあるいはオリゴマーが使用され、その使用量は、バインダー樹脂１００重量部に対して、０〜１重量部が適当である。

保護層は、感光体の機械的強度、耐磨耗性、耐ガス性、クリーニング性等の向上のため設けられる。保護層としては、感光層よりも機械的強度の高い高分子、高分子に無機フィラーを分散させたものが例示できる。保護層に用いる高分子は、熱可塑性高分子、熱硬化性高分子、何れの高分子であっても良いが、熱硬化性高分子は機械的強度が高く、クリーニングブレードとの摩擦による磨耗を抑える能力が極めて高いためたいへん好ましい。保護層は薄い膜厚であれば、電荷輸送能力を有していなくても支障はないが、電荷輸送能力を有しない保護層を厚く形成すると、感光体の感度低下、露光後電位上昇、残留電位上昇を引き起こしやすいため、保護層中に前述の電荷輸送物質を含有させたり、保護層に用いる高分子として電荷輸送能力を有するものを用いることが好ましい。感光層と保護層との機械的強度は一般に大きく異なるため、クリーニングブレードとの摩擦により保護層が磨耗し、消失すると、すぐに感光層は磨耗していってしまうため、保護層を設ける場合には、保護層は十分な膜厚とすることが重要であり、０．０１〜１２μｍ、好ましくは１〜１０μｍ、さらに好ましくは２〜８μｍとすることが好ましい。保護層の膜厚が０．１μｍ以下では、薄すぎてクリーニングブレードとの摩擦により部分的に消失しやすくなり、消失した部分から感光層の磨耗が進んでしまうため好ましくない。保護層の膜厚が１２μｍ以上では、感度低下、露光後電位上昇、残留電位上昇が生じやすく、特に電荷輸送能力を有する高分子を用いる場合には、電荷輸送能力を有する高分子のコストが高くなってしまうため好ましくない。

保護層に用いる高分子としては、画像形成時の書き込み光に対して透明で、絶縁性、機械的強度、接着性に優れた物が望ましく、ＡＢＳ樹脂、ＡＣＳ樹脂、オレフィン−ビニルモノマー共重合体、塩素化ポリエーテル、アリル樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリレート、ポリアリルスルホン、ポリブチレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリメチルベンテン、ポリプロピレン、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、エポキシ樹脂等の樹脂が挙げられる。これらの高分子は熱可塑性高分子であっても良いが、高分子の機械的強度を高めるため、多官能のアクリロイル基、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アミノ基等を持つ架橋剤により架橋し、熱硬化性高分子とすることで、保護層の機械的強度は増大し、クリーニングブレードとの摩擦による磨耗を大幅に減少させることができる。

前述のように、保護層には電荷輸送能力を有していることが好ましく、保護層に電荷輸送能力を持たせるためには、保護層に用いる高分子と前述の電荷輸送物質を混合して用いる方法、電荷輸送能力を有する高分子を保護層に用いる方法が考えられ、後者の方法が、高感度で露光後電位上昇、残留電位上昇が少ない感光体を得ることができ好ましい。
電荷輸送層能力を有する高分子としては、高分子中に電荷輸送能力を有する基を付加したものが用いられる。電荷輸送能力を有する基として化学式（１）を例示することができる。
Ａｒ_２
｜
−Ａｒ_１−Ｎ 化学式（１）
｜
Ａｒ_３
Ａｒ_１は置換もしくは未置換のアリーレン基を表わす。Ａｒ_２、Ａｒ_３は置換もしくは未置換のアリール基を表わし、同一であっても異なっていてもよい。
この電荷輸送能力を有する基は、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂等の機械的強度の高い高分子の側鎖に付加することが好ましく、モノマーの製造が容易で、塗工性、硬化性にも優れるアクリル樹脂を用いることが好ましい。

電荷輸送能力を有するアクリル樹脂は、化学式（１）の基を有する不飽和カルボン酸を重合させることにより機械的強度が高く、透明性にも優れ、電荷輸送能力も高い保護層を形成することができ、単官能の化学式（１）の基を有する不飽和カルボン酸に多官能の不飽和カルボン酸、好ましくは３官能以上の不飽和カルボン酸を混合することで、アクリル樹脂は架橋構造を形成し、熱硬化性高分子となり、保護層の機械的強度は極めて高いものとなる。多官能の不飽和カルボン酸に、化学式（１）の基を付加しても良いが、モノマーの製造コストが高くなってしまうため、多官能の不飽和カルボン酸には、化学式（１）の基を付加せず、通常光硬化性多官能モノマーを用いることが好ましい。
化学式（１）の基を有する単官能不飽和カルボン酸をしては、化学式（２）、化学式（３）を例示することができる。

式中、Ｒ_１は水素原子、ハロゲン原子、置換基を有してもよいアルキル基、置換基を有してもよいアラルキル基、置換基を有してもよいアリール基、シアノ基、ニトロ基、アルコキシ基、−ＣＯＯＲ_７（Ｒ_７は水素原子、置換基を有してもよいアルキル基、置換基を有してもよいアラルキル基または置換基を有してもよいアリール基）、ハロゲン化カルボニル基若しくはＣＯＮＲ_８Ｒ_９（Ｒ_８およびＲ_９は水素原子、ハロゲン原子、置換基を有してもよいアルキル基、置換基を有してもよいアラルキル基または置換基を有してもよいアリール基を示し、互いに同一であっても異なっていてもよい）を表わし、Ａｒ_１、Ａｒ_２は置換もしくは未置換のアリーレン基を表わし、同一であっても異なっていてもよい。Ａｒ_３、Ａｒ_４は置換もしくは未置換のアリール基を表わし、同一であっても異なっていてもよい。Ｘは単結合、置換もしくは無置換のアルキレン基、置換もしくは無置換のシクロアルキレン基、置換もしくは無置換のアルキレンエーテル基、酸素原子、硫黄原子、ビニレン基を表わす。Ｚは置換もしくは無置換のアルキレン基、置換もしくは無置換のアルキレンエーテル２価基、アルキレンオキシカルボニル２価基を表わす。ｍ、ｎは０〜３の整数を表わす。

多官能の不飽和カルボン酸の割合は保護層全体の、５〜７５重量％、好ましくは１０〜７０重量％、さらに好ましくは、２０〜６０重量％である。多官能不飽和カルボン酸の割合が５重量％以下では、保護層の機械的強度が不十分であり、７５重量％以上では、保護層に強い力が加わったときにクラックが発生しやすく、感度劣化も生じやすいため好ましくない。
保護層にアクリル樹脂を用いる場合には、上記不飽和カルボン酸を感光体に塗工後、電子線照射あるいは、紫外線等の活性光線を照射してラジカル重合を生じさせ、保護層を形成することができる。活性光線によるラジカル重合を行う場合には、不飽和カルボン酸に光重合開始剤を溶解したものを用いる。光重合開始剤は通常、光硬化性塗料に用いられる材料を用いることができる。
保護層中には保護層の機械的強度を高めるために金属、または金属酸化物の微粒子を分散させることができる。金属酸化物としては酸化チタン、酸化錫、チタン酸カリウム、ＴｉＯ、ＴｉＮ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化アンチモン等が挙げられる。その他、耐摩耗性を向上する目的でポリテトラフルオロエチレンのような弗素樹脂、シリコーン樹脂、およびこれらの樹脂に無機材料を分散したもの等を添加することができる。

ドラム状の導電性支持体上に感光層を設けた感光体の両端には通常、感光体を支持し、本体駆動装置からの回転を伝達するためのフランジが設けてある。フランジは機械的強度に優れるポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド等のエンジニアリングプラスチックが用いられ、機械的強度、剛性、導電性等を制御するために、ガラス繊維、炭素繊維等の繊維、カーボン、タルク、カオリン、炭酸カルシウム、アルミナ、シリカ等の充填剤や、各種添加剤を混合して用いられる。これらのフランジは、ドラム状の導電性支持体に圧入し、接着剤等で固定される。

本発明の画像形成装置においては、モノクロ画像形成、カラー画像形成どちらにおいても高品質の画像形成が可能であるが、特に高品質の画像形成を要求されるカラー画像形成において効果が高く、高品質の画像形成を行いながら、感光体および帯電ローラの寿命を大幅に伸ばすことができる。本発明の画像形成装置がカラー画像形成可能の場合には１本の感光体を用い、その感光体上に各色のトナーを現像後、中間転写体あるいは像担持体へ順次、各色の感光体上のトナー像を転写して画像形成を行う方法、感光体をトナーの色の数用い、各色のトナーを別個の感光体上に現像し、中間転写体あるいは像担持体へ転写して画像形成を行うタンデム型画像形成装置のどちらにおいても、優れた性能を有する。タンデム型画像形成装置においては、帯電に伴うオゾン等の酸化性ガスの発生を抑えるためには、帯電ローラによる帯電工程を採る必要があり、本発明の画像形成装置に用いる帯電工程は、帯電条件が緩やかであるため、酸化性ガスの発生量は特に少ない。そのため本発明の画像形成装置は、高画質で高信頼性の画像形成が可能なだけでなく、環境にも優しい優れた画像形成装置である。

図２は本発明の評価方法により評価する画像形成装置の概念図である。
同図において符号１は感光体、２は導電性支持体、３は感光層、４は除電ランプ、５は帯電装置、６は露光装置としてのレーザ書き込みユニット、７は現像装置、８は転写装置、９は定着装置、１０は定着ローラ、１１は加圧ローラ、１２はクリーニング装置、１３は帯電ローラ、１４は電源をそれぞれ示す。
本発明の帯電工程の評価方法について、図面をもってさらに詳細に説明する。
ここに示した画像形成装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、或いはこれらの少なくとも２つの機能を備えた複合機などとして構成される。図示していない本体筐体内には、被帯電体の一例である感光体１が配置され、この感光体１は、ドラム上の導電性ベース２の外周面に感光層３が積層された感光体より成る。複数のローラに巻きかけられて走行駆動されるベルト状の感光体より成る感光体や、誘電体より成るドラム状またはベルト状の感光体を用いることもできる。

画像形成動作時に、感光体１は同図における時計方向に回転駆動され、その表面が矢印Ａ方向に移動する。このとき感光体表面に除電ランプ４からの光が照射され、その表面が初期化され、次いで帯電装置５によって感光体表面が所定の極性に帯電される。帯電装置５については後に詳しく説明する。
帯電装置５によって帯電された感光体表面には、露光装置の一例であるレーザ書き込みユニット６から出射する光変調されたレーザ光Ｌが照射され、これによって感光体表面に静電潜像が形成される。次いで、この静電潜像は、現像装置７を通るとき、所定の極性に帯電されたトナーによって、トナー像として可視像化される。

一方、感光体１に対置された転写装置８と感光体１との間に、所定のタイミングで、例えば転写紙より成る転写材Ｐが給送され、このとき感光体上に形成されたトナー像が転写材Ｐ上に静電的に転写される。トナー像を転写された転写材Ｐは、引き続き定着装置９の定着ローラ１０と加圧ローラ１１の間を通り、このとき熱と圧力の作用によってトナー像が転写材上に定着される。転写材に転写されずに感光体表面に残された転写残トナーは、クリーニング装置１２によって除去される。
帯電装置５は、移動する被帯電体面、図示した例では感光体１の表面に対向配置された帯電ローラ１３と、その帯電ローラ１３に電圧を印加する電源１４とを有している。この電源１４により、帯電ローラ１３に電圧が印加され、帯電ローラ１３と感光層３との間に放電を生じさせて該感光体表面を所定の極性に帯電する。
帯電ローラ１３の層構成は、導電性支持体上に、高分子層と、表面層から構成されることが好ましい。
導電性支持体２は、帯電ローラの電極および支持部材として機能するもので、例えば、アルミニウム、銅合金、ステンレス鋼等の金属または合金、クロム、ニッケル等で鍍金処理を施した鉄、導電剤の樹脂などの導電性の材質で構成される。

高分子層としては、１０^６〜１０^９Ωｃｍの抵抗を有する導電性層であることが好ましく、高分子材料に導電材を混合して抵抗を調整したものが用いられる。本発明の画像形成装置に用いる帯電ロールの高分子層の高分子としては、ポリエステル系、オレフィン系の熱可塑性エラストマー、ポリスチレン、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン＋アクリロニトリル共重合体等のスチレン系熱可塑性樹脂、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド共重合ゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド−アリルグリシジルエーテル共重合ゴム、エチレン−プロピレン−ジエン３元共重合ゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、天然ゴム等、およびこれらをブレンドしたゴム材料が挙げられる。ゴム材料は中でも、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド共重合ゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキシド−アリルグリシジルエーテル共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴムおよびこれらのブレンドゴムが好ましく用いられる。これらのゴム材は発泡したものであっても無発泡のものであってもよい。

導電剤としては、電子導電剤やイオン導電剤が用いられる。電子導電剤の例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック；熱分解カーボン、グラファイト；アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼等の各種導電性金属または合金；酸化スズ、酸化インジウム、酸化チタン、酸化スズ−酸化アンチモン固溶体、酸化スズ−酸化インジウム固溶体等の各種導電性金属酸化物；絶縁物質の表面を導電化処理したもの；などの微粉末を挙げることができる。また、イオン導電剤の例としては、テトラエチルアンモニウム、ラウリルトリメチルアンモニウム等の過塩素酸塩、塩素酸塩等；リチウム、マグネシウム等のアルカリ金属、アルカリ土類金属の過塩素酸塩、塩素酸塩等；を挙げることができる。これらの導電剤は、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。また、その添加量は特に制限はないが、上記電子導電剤の場合は、高分子１００重量部に対して、１〜３０重量部の範囲であることが好ましく、１５〜２５重量部の範囲であることがより好ましい。一方、上記イオン導電剤の場合は、高分子１００重量部に対して、０．１〜５．０重量部の範囲であることが好ましく、０．５〜３．０重量部の範囲であることがより好ましい。

前記表面層を構成する高分子材料としては、既述の如く、帯電ロール２１表面のダイナミック超微小硬度が０．０４以上０．５以下であれば特に制限されないが、ポリアミド、ポリウレタン、ポリフッ化ビニリデン、４フッ化エチレン共重合体、ポリエステル、ポリイミド、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルブチラール、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、メラミン樹脂、フッ素ゴム、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体等を挙げることができる。
これらの中では、トナーとの離型性等の観点から、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、４フッ化エチレン共重合体、ポリエステル、ポリイミドが好ましく用いられる。上記高分子材料は単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。また、当該高分子材料の数平均分子量は、１，０００〜１００，０００の範囲であることが好ましく、１０，０００〜５０，０００の範囲であることがより好ましい。
表面層は、上記高分子材料に前記導電性弾性層に用いた導電剤や各種微粒子を混合して組成物として形成される。上記微粒子としては、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム等の金属酸化物および複合金属酸化物、テトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン等の高分子微粉体を単独または混合して用いられるが、特にこれらに限定されるものではない。

本発明の画像形成装置においては、感光体と帯電ローラ、現像装置、クリーニング装置を一体にし、交換部品として扱う、所謂プロセスカートリッジの形態にしておくと、メンテナンス性が著しく向上し、大変好ましい。

直径３０ｍｍのアルミニウムドラム（導電性支持体）上に、下引き層、電荷発生層、電荷輸送層および保護層を、その順に塗布して後、乾燥し、３．６μｍの下引き層、０．１５μｍの電荷発生層、２３μｍの電荷輸送層、約３．５μｍの保護層からなる感光体を作製した。このとき、保護層の塗工はスプレー法により、それ以外は浸漬塗工法により行った。保護層には、平均粒径０．１７μｍのアルミナを２４．０重量％添加した。
ｉｍａｇｉｏ Ｎｅｏ Ｃ３８５改造機（タンデム型カラー画像形成装置。帯電ローラに２２００Ｖの直流電圧を印加し、感光体の線速：１２０ｍｍ／秒に改造、書き込み光の解像度１２００ｄｐｉ、リコー製）のブラック用感光体ユニットの帯電ローラとして、帯電ローラメーカーより納入された４種類の帯電ローラ試作品（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を評価した。帯電ローラは、ステンレスの円柱にエピクロロヒドリンゴムと導電性カーボンを主成分とする導電性ゴムを貼り付けて作製されたものである。

何れの帯電ローラも、帯電ローラの直径は、１４．４ｍｍであった。この帯電ローラを感光体の真上に配置し、スプリングで帯電ローラを感光体に押付け、感光体と帯電ローラを回転させない条件で、感光体と帯電ローラのニップ部の両サイドから、蛍光灯を照射しながら、感光体と帯電ローラの間に、−２１００Ｖの直流電圧を０．５ｍ秒間印加し、０．５ｍ秒間印加停止を繰り返し、２０分間帯電を行った。感光体を観察すると、感光体には、二本の白いスジが発生しており、そのスジの間の間隔ｗは、帯電ローラ試作品Ａ〜Ｄで、それぞれ１．０ｍｍ、１．８ｍｍ、２．８ｍｍ、４．７ｍｍであった。従って、ｗ／ｖはそれぞれ、０．００８秒、０．０１５秒、０．０２３秒、０．０３９秒であった。

これらの帯電ローラをｉｍａｇｉｏ Ｎｅｏ Ｃ３８５改造機のブラック、シアン、イエロー、マゼンタの各ステーションに組み込み、画像濃度５％のカラーテストチャートのコピーを５０００枚行った後、新品のブラック用感光体ユニットの帯電ローラと取替え、白黒のハーフトーン画像を出力したところ、帯電ローラ試作品Ｄのもののみ、微細な横スジが、疎らに生じてしまった。その他の帯電ローラを用いた場合には、高画質の画像形成が可能であった。

実施例１において、画像形成装置の線速を２８５ｍｍ／秒に改造し、感光体と帯電ローラの間に、−２３００Ｖの直流電圧を印加し、帯電ローラ試作品Ｃをブラック、シアン、帯電ローラ試作品Ａをイエロー、帯電ローラ試作品Ｂをマゼンタステーションにセットした。各帯電ローラのｗ／ｖはそれぞれ、０．００４秒、０．００７秒、０．０１０秒であった。
画像濃度５％のカラーテストチャートのコピーを５０００枚行った後、新品のブラック用感光体ユニットの帯電ローラと取替え、白黒のハーフトーン画像を出力したところ、帯電ローラ試作品Ａのもののみ、斑点状の異常画像が生じてしまった。

実施例２において、帯電ローラ試作品Ｂを全ての色のステーションに搭載し、画像濃度５％のカラーテストチャートで３００００枚の画像形成を行った。その後、女性の顔をアップで撮ったデジタルスチルカメラの画像を、出力したところ、高品質の画像が得られた。

＜比較例１＞
実施例３において、帯電ローラに、−９００Ｖの直流電圧と、周波数１８５０Ｈｚで振幅が１３５０Ｖの交流を印加する以外は実施例３と同様の画像形成装置を作製し、カラーテストチャートで３００００枚の画像形成を行った。その後、女性の顔をアップで撮ったデジタルスチルカメラの画像を、出力したところ、画像には、帯状の異常画像が発生してしまっていた。帯電ローラおよび、感光体を観察したところ、全てのステーションの帯電ローラ、感光体に、異物が膜状に付着していた。

実施例３において、書き込み光の解像度を２０００ｄｐｉに改造して、実施例３で用いた各感光体ステーションで画像濃度５％のカラーテストチャートで５００枚の画像形成後、実施例３と同じ、女性の顔をアップで撮ったデジタルスチルカメラの画像を、出力したところ、高品質の画像が得られた。

試作品Ａの処方で、帯電ローラの外径を２１ｍｍとする以外は、実施例３と同様の画像形成装置を作製した。この帯電ローラのｗ／ｖは０．００６秒であった。画像濃度５％のカラーテストチャートで５００枚の画像形成を行った。その後、女性の顔をアップで撮ったデジタルスチルカメラの画像を、出力したところ、高品質の画像が得られた。

感光体に生ずる放電痕の模式図である。 本発明の評価方法により評価する画像形成装置の概念図である。

符号の説明

１ 感光体
５ 帯電装置
１３ 帯電ローラ
１４ 電源
Ｍ 放電痕
ｗ ２本の放電痕の間隔

Claims (3)

1. 画像作成時に線速ｖとして８０〜５００（ｍｍ／秒）で回転し、直径が２０〜１５０ｍｍの導電性支持体の上に少なくとも感光層が設けられている感光体と、該感光体に接触して回転する直径が１２〜２５ｍｍの帯電ローラと、該帯電ローラと前記感光体の感光層との間に直流電圧を印加して放電を生じさせ該感光層を所定の極性に帯電させる電源と、該電源から−１４００〜−３５００Ｖの直流電圧を印加する帯電工程とを備えた画像形成装置の帯電工程評価方法において、前記感光体と前記帯電ローラを接触加圧させた状態で、光を照射し、前記感光体と前記帯電ローラの双方を回転させずに前記直流電圧を断続的に一定時間印加して前記感光体の感光層表面に、放電が生じていない箇所の幅が０．８〜４．０ｍｍの２本の放電痕を生じさせるステップと、前記感光体の感光層表面に生ずる前記２本の放電痕の間隔ｗ（ｍｍ）を測定するステップと、該間隔ｗと前記線速ｖの比ｗ／ｖ（秒）が、０．００５〜０．０３５の場合に前記感光体の感光層表面の帯電電位が均一となることを評価するステップを有することを特徴とする画像形成装置の帯電工程評価方法。
2. 請求項１に記載の画像形成装置の帯電工程評価方法において、前記直流電圧は、０．５ｍ秒印加、０．５ｍ秒休止の繰り返しを２０分間行うことを特徴とする画像形成装置の帯電工程評価方法。
3. 請求項１または２に記載の画像形成装置の帯電工程評価方法において、前記帯電ローラは少なくとも表面近傍が弾性を有しており、該帯電ローラの前記感光体と接触する箇所が変形することを特徴とする画像形成装置の帯電工程評価方法。

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