JP5167957B2 - 圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置、及びこれを用いた転写装置並びに画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置に係り、特に感光ベルトや中間
転写ベルト等のトナー像担持体ベルトの加振装置及びこれを用いた転写装置並びに画像形
成装置に関する。

電子写真方式を用いた画像形成装置においては、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画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８は従来の転写装置を示し、感光ベルト２８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１４を有する用紙１３に転写する場合の課題を示す図である。

図８（ａ）は、低価格な粗面紙や第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面のように凹部が存在する用紙に転写する場合を示す。凹部１４の深さｄｖは３０〜５０μｍ、凹部の幅Ｗｈが８〜１０ｍｍである。この場合、コロナ転写手段１１により、用紙１３の裏面に付与されたプラス極性のコロナ電荷１０と感光ベルト２８との間に働く静電電界により、マイナス帯電トナー１８を用紙１３面に引きつける必要がある。用紙１３の平坦部では用紙面とトナー像が密着し、トナー１８ａには十分な転写電界が働くためトナー１８ａの転写性は良い。一方、用紙面の凹部１４に対向するトナー１８ｂには用紙面との間に空隙ｄｖが存在するため、トナー１８ｂに働く転写電界が小さくなり、トナーの転写性が低下して画像欠陥が生じる。

図８（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、人工的に凹凸を形成した用紙（エンボス紙）の表面に、中間転写ベルト１７上に形成されたカラートナー画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。用紙表面に形成された凹部の深さｄｖは１０〜３０μｍ、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、より幅の狭い凹部内部に転写する必要がある。図８（ａ）の場合と同様、空隙１４に対向するトナー層に対しては転写電界が小さく転写性が低下する。さらに、カラートナー画像の場合トナーは多層となり、中間転写ベルト１９面と接触する側のトナー１６ａ、１７ａには転写電界が作用しにくく、これらトナーの転写性がさらに低下する。なお、図８（ｂ）では中間転写ベルト１９上の多層カラートナー画像について述べたが、感光体ベルト２８上に多層カラートナー画像が形成される場合においても、同じことが言える。

図９は、静電転写時にトナーに働く力を説明する図である。図９（ａ）は感光ベルトや中間転写ベルト等のトナー担持体３７表面に形成されたトナー１８をコロナ転写手段１１を用いて被転写体である例えば用紙１３に転写する場合に、トナー１８に働く力について説明したものである。

トナー１８のトナー担持体３７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の和である。一方、トナーを用紙１３に引きつける力は、用紙１３の裏面に付与されたプラス電荷１０（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とファンデルワールス力Ｆ_ｆに打ち勝ってトナー１８を用紙１３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１１に印加する電圧／電流値を高くして用紙裏面に付与するプラス電荷１０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、転写電界を高くしすぎると局部的な電界集中によりトナー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１８のトナー担持体３７面への付着力（鏡像力Ｆ_Ｍとファンデルワールス力Ｆ_ｆ）を低減する。このためには、トナーを転写させたい被転写体の方向に向かわせる新たな力をトナーに付与する等、トナーと被転写体との間に働く付着力を制御するという新たな考えを導入する必要がある。

鏡像力Ｆ_Ｍはトナー１８の帯電電荷とトナー担持体３７に生じた鏡像電荷との間に働く静電気力で、トナーの粒径とトナーの帯電電荷、トナー像担持体の誘電率と厚みに依存する。

一方、ファンデルワールス力Ｆ_ｆは非静電的な力であり、（１）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１８とトナー担持体３７を構成する物質に依存する。Ｒはトナーの半径、Ｄはトナー１８とトナー担持体３７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１８の半径Ｒに比例し、トナー１８とトナー担持体３７面との分離距離Ｄの２乗に反比例する。一般にトナーの表面にはシリカ（SiO2）粉等の外添材が付着しており、これがＤに影響する。
トナーのトナー担持体との付着力を低減するために、図９（ｂ）に示すようにトナー担持体３７の裏面にトナー担持体を加振する加振装置３８を設置する方法がある。トナー担持体３７を上下に振動させることによりトナー１８に慣性力Ｆ_Ｂを付与し、Ｆ_Ｅと合わせてトナー担持体３７からのトナーの離脱力を増加し、トナー１８を電気的かつ機械的に用紙１３の凹部内に入り込ませ転写させる。これにより、表面に凹凸のある用紙１３へのモノクロトナー画像の転写（図８（ａ））や多層トナー像の転写（図８（ｂ））が可能となる。

ベルト振動時の加速度α及びベルト上のトナーに働く慣性力Ｆ_Ｂ、は（２）（３）式で与えられる。
加速度α＝（２πｆ）^２×Ｌk − − − − − （２）
Ｆ_Ｂ＝ｍ・α
＝（２πｆ）^２×Ｌk×ｍ − − − − − （３）
ここで、ｍはトナーの重量、ｆはベルトの振動周波数、Ｌkは振動振幅である。
上記したトナー担持体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、超音波振動子を用いる方式が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

図９（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３８ｂとホーン３８ａを組み合わせて周波数２０〜１００ｋＨｚ、ホーン３８ａの振動振幅が数μｍの共振器、超音波振動子３８を構成している。ホーン３８ａの振動先端部を感光ベルトや中間転写ベルト等のトナー担持体３７の裏面に接触させることにより、トナー担持体を介してトナー１８に振動エネルギーに基づく慣性力を付与してトナー１８の付着力を低減し、トナー１８の用紙１３への転写性を向上するものである。

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おり、印刷幅は、カット紙プリンタではＡ３サイズ幅、連続紙プリンタで２０インチ幅までサポートされている。このため、トナー担持体３７の幅も広くなり、加振手段による振動エネルギー付与領域も４２０ｍｍから５００ｍｍ超となっている。

一方、一つの共振器でカバーできる加振手段としての幅は、超音波振動子とホーンとの共振特性から決まり、対応可能な幅は２から３インチである。このため、２０インチ幅をサポートするには、７から１０個の共振器を横一列に配列する必要があるが、一方で、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現象）が課題となる。このため、隣接するホーンを接触させないようにした構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。

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等の対策が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特公昭５５−２０２３１号公報 特開平４−２３４０７６号公報 特開平４−２３４０８２号公報

しかしながら、特許文献２に示された、隣接するホーン同士を接触させない構成では、隣接ホーン間はトナー担持体に振動エネルギーを付与出来ない。

また、特許文献３のように、中央部と両サイド部で駆動電圧を変える構成は、複数の電源が必要となる。

超音波振動子としてボルト締めランジェバン型振動子があるが、この素子の駆動には周
波数が２０ｋＨｚ以上の高周波・高電圧電源が必要であり、２０インチ幅をサポートする投入電力は数百から１ｋＷとなる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、トナーのトナー担持体への付着力を低減し、被転写体へのトナーの転写を容易にする方法として、超音波振動子を使用する場合に比べて低電圧・低消費電力の電源で対応できる高効率な加振装置を提供する。特に、表面に凹凸を有するエンボス紙や粗面紙への転写や、両面印刷の第２面の凹部のある用紙の転写において、画像欠陥のない良好な転写を可能とする前記加振装置を用いた転写装置及びこれを用いた画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項1の発明は、圧電体の横効果振動（ｄ_３１モード）を利用した圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置であって、表面に電極を形成した一対の圧電体を導電性弾性部材の両面に分極方向を同方向にして貼りあわせた構造の圧電バイモルフ素子の一端を支持固定し、かつ、他端に突起部を設けた２個の片持ち支持構造体を、張架されたベルトの背面に配置し、前記片持ち支持構造体のそれぞれの突起部を所定距離だけ離れて前記ベルトに接触させることによってベルトを挟持し、圧電バイモルフ素子を駆動することによって、ベルトに振動エネルギーを付与するベルト加振装置において、２つの突起部で挟持されるベルト領域の共振周波数をｆkとした時、前記２個の圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅが略々ｆk／２に一致した値であって、波形の位相差が１８０度（１／２周期）の交流電圧で駆動されることを特徴とするものである。

請求項２の発明は請求項1の発明において、圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅとｆｋ／２の比が０．９５から１．１の範囲にあることを特徴とするものである。

請求項３の発明は請求項1の発明において、電圧が印加されない２個の圧電バイモルフ素子が静止した状態において、前記圧電バイモルフ素子に設けられたそれぞれの突起部のベルト裏面に接触する面の高さが同じであって、かつ、両突起部でベルト裏面を０．２〜１．７ｍｍの範囲でベルト表面の方向に押し上げた状態に設定されることを特徴とするものである。

請求項４の発明は請求項1の発明において、張架されたベルトに加わる張力に基づく応力δが８×１０^５Ｎ／ｍ^２〜３×１０^６Ｎ／ｍ^２の範囲内にあることを特徴とするものである。

請求項５の発明は、ベルトがトナー像が表面に現像された感光ベルトあるいは、一時的にトナー像を担持する中間転写ベルトであって、該トナー像担持体ベルトに対向して設けられ、該トナー像担持体との対向領域である転写領域に搬送される記録媒体に、前記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手段と、前記トナー担持体を挟んで前記転写手段と対向する位置に前記トナー担持体へ振動エネルギーを付与する加振装置を設けた転写装置において、前記加振装置が請求項１及至４に係る発明の圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置であることを特徴とするものである。

請求項６の発明は請求項５の発明において、前記転写装置が、トナー像を静電的に転写する転写手段がコロナ転写器であって、前記トナー担持体ベルトのうち、２個の圧電バイモルフ素子の突起部で挟持され、振動持にトナーに慣性力を付与するベルト領域が、コロナ転写電界が及ぶ範囲内に配置されることを特徴とするものである。

請求項７の発明は、トナー像が表面に形成された感光ベルトあるいは中間転写ベルト等のトナー像担持体ベルトと、回動する前記トナー担持体に対向して配置され、前記トナー像を記録媒体上に静電的に転写する転写部を備える画像形成装置において、前記転写部として請求項５または６の発明の転写装置を用いたことを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、トナーのトナー担持体への付着力を低減し、低電圧・低消費電力の電源で対応できる高効率な加振装置を提供することができる。特に、表面に凹凸を有するエンボス紙や粗面紙への転写や、両面印刷の第２面の凹部のある用紙の転写において、画像欠陥のない良好な転写を可能とする前記加振装置を用いた転写装置及びこれを用いた画像形成装置を提供することができる。

図７は、圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置の構成図である。図７（ａ）に示すように、ベルト５がローラ６ａ、６ｂを支点として、一定の張力Ｔにより張架され、ベルト裏面側には２つの圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂが配置される。それぞれの一端が固定部材２ａ、２ｂで支持固定され、他端には突起部材３ａ、３ｂが設けられている。ベルトを支点６ａ、６ｂ間の中点（Ｌｗ／２の位置）で振動させるため、極力３ａ、３ｂを近接させている。
図７（ｂ）は圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂを駆動する電源４ａ、４ｂの発生電圧Ｖa、Ｖｂの波形を示す。周期をＴｅとしたとき、Ｖa、Ｖｂの位相差は１／２周期すなわち１８０度とした。図７（ｃ）はベルトの中点で加振した時のベルトの振動状態を示し、ベルトの共振周波数ｆｋは、（４）式で与えられる。

ここで、Ｔは張力、Ｗはベルトの単位長あたりの質量である。

感光ベルトや中間転写ベルトの比重を用いてＷを計算し、Ｔとｆkの関係を計算する。

支点６ａ、６ｂ間の距離Ｌｗは転写領域幅（ほぼコロナ転写器幅に等しい）によって設定されるが、圧電バイモルフ素子を２個配置するスペースも考慮する必要がある。今、Ｌｗを５ｃｍとする。厚み９６μｍの中間転写ベルトに張力Ｔとしてベルト幅の単位長当たり１７５Ｎ／ｍを印加した。ベルト５に働く応力δは２．７×１０^６Ｎ／ｍ^２で、ベルトの共振周波数ｆｋは４５０Ｈｚである。圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂにＶak、ＶbKが２０Ｖの矩形波交流電圧を印加したところ、振動振幅Ｌｋは２００μｍとなった。（２）式より、ベルト振動の加速度αは１．６×１０^３ｍ／ｓ^２である。トナー粒径９μｍのトナー（ｍ＝４．６×１０^―１３ｋｇ）に働く慣性力Ｆ_Ｂは（３）式より、０．７ｎＮとなる。

一方、図９（ａ）で説明したトナー１８とトナー担持体３７との間に働くファンデルワールス力Ｆｆはトナー粒径が９μｍの場合には約１０ｎＮであるため、慣性力による付着力低減の効果をさらに向上させることが期待されている。
（３）式で与えられるトナー担持体上のトナーに付与される慣性力Ｆ_Ｂを１０ｎＮ以上にするためには、振動振幅Ｌｋが数十μｍ〜２００μｍであるため、ベルト５の振動周波数ｆは２ｋＨｚ以上にするとよい。このような技術的背景に基づいて本発明がなされた。

初めに、圧電バイモルフ素子の構成について説明する。図６（ａ）は圧電バイモルフ素子１の構成を示す図である。
圧電バイモルフ素子１は導電性弾性部材３２（以下、シム材と称する）の両側にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミックスからなる２枚の圧電体３１ａ、３１ｂを、それぞれの自発分極３４ａ、３４ｂの分極方向を同方向にして接着剤を用いて貼りつけたものである。接着層での電位分担によるロスを考慮すると、接着剤としては導電性接着剤を用いることが望ましい。

図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、圧電体３１ａ、３１ｂの表面の電極３３ａ、３３ｂ及び、それぞれ、給電リード線３６ａ、３６ｂを引き出し、また、シム材３２からは給電リード線３６ｃが引き出される。給電リード線３６ａ、３６ｂが接続された端子Ｓ1にはプラス電圧Ｖｄ、給電リード線３６ｃの端子Ｓ２をアース電位にすると、逆圧電効果により、圧電バイモルフ素子１は圧電体３１ｂ側を凸にして反り返った形状となる。一方、端子Ｓ1にマイナス電圧―Ｖｄを印加すると圧電体３１ａ側を凸にして反り返った形状となる。

この結果、圧電バイモルフ素子１に交流電圧を印加すると、図６（ｂ）と図６（ｃ）の状態を交互に繰り返して上下に往復振動する。

圧電バイモルフ素子１の振動振幅Ｌｋ、共振周波数ｆｂは理論的には次式で与えられる。

振動振幅Ｌｋ＝３×ｄ_３１×（Ｌb／ｔ_ｔ）^２×（１＋ｔｓ／ｔ_ｔ）×α×Ｖ （ｍ）−（５）
共振周波数ｆｂ＝０．１６２×（ｔ_ｔ／Ｌb^２）×√（Ｙn／ρ） （Ｈｚ）−――−（６）
ここで、Ｌｂは圧電バイモルフ素子１の振動長、ｔ_tは圧電体３１ａ、３１ｂ及びシム材３２を合わせたトータル厚み、ｔ_ｓはシム材３２の厚み、Ｖは駆動電圧、αは非線形補正係数定数で２である。また、Ｙnはバイモルフ素子（圧電体とシム材含む）としてのヤング率、ρは密度である。

圧電バイモルフ素子は超音波振動子に比べて振動周波数は数ｋＨｚ以下と低いものの、振動振幅Ｌｋは数十μｍ〜数百μｍで、超音波圧電素子の数μｍに比べて、数桁以上大きいことが特長で、さらに消費電力が小さく、電磁的雑音が発生しない等の長所がある。

圧電バイモルフ素子単独では、駆動時の共振周波数ｆｂは圧電バイモルフ素子の振動長Ｌｂの２乗に反比例するため、Ｌｂを短くすることによって数ｋＨｚまで高くすることができる。しかし、張架されたベルトを圧電バイモルフ素子で振動する場合には、負荷を受けた状態での振動となり、振動振幅は素子単独の場合よりも小さくなる。

図１は、本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置の構成と振動波形を示す図である。

本発明は、圧電体の横効果振動（ｄ_３１モード）を利用した圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置である。

図１（ａ）に示すように、先端に突起部３ａ、３ｂが設けられた圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂの他端側が固定部材２ａ、２ｂで支持固定され、ローラ６ａ、６ｂで張架されたベルト５の裏面側に配置される。

本実施例の圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置は、両圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂをそれぞれに設けた突起部３ａと３ｂを、ベルト領域Ｌｗだけ離して配置した。ベルト領域とは、突起部３ａと３ｂのローラ６ａ、６ｂに近い方で、それぞれの外側端部までである。また、ベルト搬送方向の垂直方向は、少なくとも画像形成が可能な範囲とするが、ベルト幅端部までとさせることにより、振動が一層安定する。さらに、突起部３ａの高さＨａと３ｂの高さＨｂをほぼ同じ高さとして、突起部３ａと３ｂで、ベルト５を適正距離ｄだけ持ち上げた。さらに、ベルト５に加える張力（応力）を適正範囲としたことに特徴がある。

また、駆動条件として、駆動電圧Ｖの周波数を突起部３ａと３ｂ間で挟持されるベルト領域Ｌｗの振動特性に基づき最適化したことである。

図１（ｂ）は圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂを駆動する矩形波交流電圧Ｖａ、Ｖｂの波形図であり、両者の周期は同じＴｅであるが、位相がＴｅ／２すなわち、１８０度異なる。基本的にＶａｋ、Ｖｂｋは同じ値である。

圧電バイモルフ素子１ａの突起部３ａが上方向（ベルト押し上げ方向）に変位する時は、圧電バイモルフ素子１ｂの突起部３ｂは下方向に変位する。逆に、圧電バイモルフ素子１ａの突起部３ａが下方向に変位する時は、圧電バイモルフ素子１ｂの突起部３ｂは上方向（ベルト押し上げ方向）に変位する。

このときの両突起部３ａ、３ｂで挟持されたベルト領域（幅Ｌｗ）の振動状態を図１（ｃ）に示す。ベルト５は突起部３ａ、３ｂの少し外側の位置９ａ、９ｂを振動端（振動の節）とした振動長Ｌｖの振動となる。突起部３ａと３ｂの間距離であるベルト領域Ｌｗ、素子駆動周波数ｆｅ、圧電バイモルフ素子取り付け時のベルト押し上げ量ｄ、ベルトの張力Ｔをパラメータとして検討した結果、ベルトは図１（ｄ）に示すように、素子駆動周波数ｆｅの２倍の周波数で振動する交流振動波形が得られる条件が存在することがわかった。この時のＬｖの値を（４）式に代入して求めたベルトの共振周波数ｆｋと素子駆動周波数ｆｅとの間で（７）式の関係が成立することがわかった。

ｆｋ＝２・ｆｅ ― ― ― ―（７）
ここで、ｆｅ＝１／Ｔｅ
駆動電圧の素子駆動周波数ｆｅの２倍の周波数でベルトを振動できるため、（２）式からわかるように慣性力Ｆ_Ｂは４倍ときわめて大きな慣性力が得られることになる。一方、素子駆動電源４は、低周波電源で良いため消費電力が小さくてすむ。

図２は、駆動電圧を±２０Ｖの矩形波交流として、ベルト振動特性（振動周波数ｆｖ、駆動振幅ｆｋ）に及ぼす圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅ、圧電バイモルフ素子取り付け時のベルト押し上げ量ｄ、ベルトに働く応力δの依存性について測定した結果を示す。なお、Ｌｗとｆｋの関係は（４）式で与えられる。

図２（ａ）（ｂ）では、ベルトに働く応力δが２．３×１０^６Ｎ／ｍ^２となるように張力Ｔを加えた。図２（ａ）は振動振幅Ｌｋと圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅと（ｆｋ／２）の比Ｋｆ（グラフ横軸）との関係を示したものである。Ｋｆが１の時に、振動振幅Ｌｋが最大になり、このときの値を１００として相対表示した。Ｋｆが０．９５〜１．１の範囲においてベルトは図１（ｄ）に示すような素子駆動周波数ｆｅの２倍の周波数で振動することがわかった。一方、Ｋｆが０．９より小さい領域では、節点９ａとロール６ａ、および節点９ｂとロール６ｂ間のベルトの振動の影響が重畳された不均一な振動となる。また、Ｋｆが１．１より大きい領域ではベルト５の振動は不安定となる。

図２（ｂ）は圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅをｆｋ／２とし、振動振幅Ｌｋとベルトの押し上げ量ｄとの関係を示したものである。ベルト押し上げ量ｄが０．５ｍｍの時、振動振幅Ｌｋが最大になる。このときの値を１００として相対表示した。ｄが０．２〜２ｍｍの範囲においてベルトは図１（ｄ）に示すようにベルトの共振周波数ｆｋ、すなわち、圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅの２倍の周波数で振動することがわかった。

しかし、ベルト押し上げ量ｄが大きくなると振動振幅Ｌｋが小さくなる。これは、圧電バイモルフ素子への負荷が大きくなるためである。一方、０．２ｍｍより小さくなると、ベルトと突起部３の接触が不均一となり、ベルトの振動が不安定になる。ベルト振動による慣性力の大きさの検討から、振動振幅Ｌｋとして相対値で４０以上を確保できる０．２ｍｍ〜１．７ｍｍを採用範囲とした。

図２（ｃ）は圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数ｆｅをｆｋ／２とし、振動振幅Ｌｋとベルトに働く張力に基づく応力δの関係を示したものである。応力が１．８×１０^６Ｎ／ｍ^２の時、振動振幅Ｌｋが最大になる。このときの値を１００として相対表示した。ベルト応力が８×１０^５Ｎ／ｍ^２〜３．２×１０^６Ｎ／ｍ^２の範囲で、ベルトは図１（ｄ）に示すようなベルトの共振周波数ｆｋ、すなわち、圧電バイモルフ素子の素子駆動周波数の２倍の周波数で振動することがわかった。８×１０^５Ｎ／ｍ^２よりも小さいとベルト振動は不安定になる。張力Ｔ（応力δ）を大きくしていくと振動振幅Ｌｋが小さくなる。これは、圧電バイモルフ素子への負荷が大きくなるためである。
慣性力への振動振幅Ｌｋの作用効果から相対値４０以上を基準とし、応力の適正範囲を８×１０^５Ｎ／ｍ^２〜３×１０^６Ｎ／ｍ^２とした。なお、駆動波形が矩形波交流の場合について説明したが、正弦波交流の場合でも同じ結果が得られる。駆動電圧値Ｖak、Ｖbkは通常、同じ値を用いるが、圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂの振動振幅特性が異なる場合、両者の振幅を同じにするためにＶak、Ｖbkの調整を行うことができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１を用いて、本発明の圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置を説明する。厚み６５μｍのポリイミド樹脂からなる中間転写ベルト５がローラ６ａ、６ｂに巻き付けられ、３．５Ｎの張力Ｔで張架されている。圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂの構造を図６を用いて説明する。導電性弾性部材（シム材）３２は厚み５０μｍの燐青銅板で、両面に圧電体３１ａ、３１ｂがそれぞれの分極方向３４ａ、３４ｂが同じ方向になるように接着剤で張り合わせた。圧電体３１ａ、３１ｂは圧電定数ｄ３１が３００×１０^−１２（ｍ／ｖ）、厚み３００μｍのＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）である。３３ａ、３３ｂは銀電極である。
上記バイモルフ素子１ａ、１ｂの上面にポリアセタール樹脂板を加工して製作した突起部材３ａ、３ｂが接着剤により貼り付けられている。圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂの一端をそれぞれ、金属製の固定部材２によりチャックする。チャック部から突起部材３が取り付けられた先端までの長さＬｓが自由振動長であり、今回８ｍｍとした。このとき、圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂは１．３５ｋＨｚを最大振動振幅が得られる共振周波数として、１〜１．７ｋＨｚの範囲で振動することができる。

上記圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂの突起部３ａ，３ｂを、圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂ間距離Ｌｗを４ｍｍ、ベルト押し上げ量を０．５ｍｍとなるようにベルト５の下側に接触配置した。次に突起部３ａ、３ｂで挟持されたベルト領域Ｌｗを含めたベルトの実際の振動長Ｌｖを求めるため、ベルト５上に１０μｍのトナーを均一に塗布後、突起部３ａ、３ｂで挟まれたベルト領域Ｌｗの裏面に打撃加振し、粉の挙動を観察したところ、振動の節９ａ、９ｂの位置が求まり、Ｌｖは６．６ｍｍであった。この値を（３）式にベルトの物性値と張力Ｔとともに代入すると、ｆｋ＝２．８ｋＨｚとなった。なお、振動の周波数分析からもほぼ同じ値が検出された。

そこで、圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂにｆｅが１．４ｋＨｚ（Ｔｅ＝０．７１４ｍｓ）、
ＶａｋとＶｂｋが共に２０Ｖの矩形波交流電圧を印加した。その結果ベルトは突起部３ａ、３ｂで挟持されたベルト領域Ｌｗのベルトの共振周波数は２．８ｋＨｚで８ａ，８ｂのように上下に振動することがわかった。この振動振幅Ｌｋを測定すると１０４μｍであった。
この結果、（３）式より、ベルトの振動加速度は３×１０^４ｍ／ｓ^２となる。この結果、従来の図８に示した方法のベルト加振装置の振動加速度の約１９倍の大きい振動加速度を有するベルト加振装置が得られた。

図３は図１（ａ）に示すベルト加振装置を用いた本発明の転写装置を説明する図である。ポリイミド樹脂からなる中間転写ベルト１９上に形成された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（１５、１６、１７，１８）からなるカラー画像をエンボス紙１３の表面に転写する。トナーの粒径は９μｍである。ロール６ａ、６ｂで張架され回動する中間転写ベルト１９の裏面側に圧電バイモルフ素子を用いた加振装置２０を配置した。中間転写ベルト１９及び加振装置２０は実施例１で説明したものと同じものを用いた。

中間転写ベルト１９上のトナー画像がコロナ転写器１１のコロナワイヤに印加された電圧による転写電界によりエンボス紙１３の空隙１４内にも効率よく転写されるようにする。このため、コロナ転写器１１の開口部領域に、２つの圧電バイモルフ素子の突起部３ａ、３ｂで挟持される中間転写ベルト１９の領域が含まれるように配置し、慣性力を付与されたトナーが転写電界によって用紙１３に転写されるようにした。
圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂに、それぞれ図１（ｂ）に示すような波高値±２０Ｖ、周波数１．４ｋＨｚの矩形波交流を印加すると突起部３ａと３０ｂは、交互に±１０４μｍの振幅で上下に振動した。ベルト振動の加速度は３×１０^４ｍ／ｓ^２であった。粒径は９μｍのトナー１個の重量は４．６×１０^―１３ｋｇであり、（２）式より、中間転写ベルト１９上のトナーには１５ｎＮの慣性力Ｆ_Ｂが働く。トナー１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１８ｂにはプラス電荷１０による静電気力Ｆ_Ｅに慣性力Ｆ_Ｂが加わる。これによりトナーは、ファンデルワールス力Ｆ_f(１０ｎＮ)と鏡像力Ｆ_Ｍの束縛から逃れて飛翔し、用紙１３の凹部１４および平坦部に移動する。これにより表面の凹凸の大きなエンボス紙にも画像欠陥のない良好なトナー転写が可能となる。エンボス紙以外の粗面紙や第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面の凹部にも画像欠陥のない良好な転写を行うことができる。

図４は実施例２にて説明した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。２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ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ため、Ｋトナー画像形成部で構成と機能を説明する。

ＯＰＣ感光ドラム２１ａを帯電器２２ａで帯電後、レーザ光学系やＬＥＤ等の露光部２３ａで印刷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２４ａにて感光ドラム２１ａ上にＫトナー画像を形成する。トナーは負帯電トナーであり、上記トナー画像は正極性の電圧が印加された転写ロール２５ａ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面上にＣトナー画像、Ｍトナー画像、Ｙトナー画像が順次転写され、中間転写ベルト１９上にフルカラー画像が形成される。
中間転写ベルト１９の外側にコロナ転写器１１、内側に実施例１で説明した加振装置２０を配置した。駆動電源４は矩形波交流電源であり、圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂの突起部材３ａ、３ｂが交互に中間転写ベルト１９の裏面を振動させ、中間転写ベルト上のトナーに慣性力を付与する。慣性力を付与されたトナー１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１８ｂは中間転写ベルト面とのファンデルワールス力に打ち勝ってコロナ電荷１０に基づく静電気力により飛翔し、転写部に搬送されたエンボス紙１３に転写される。
転写されたトナーはヒートロール２７ａとバックアップロール２７ｂから構成されるヒートロール定着装置により用紙１３上に溶融固着される。加振装置２０の駆動は用紙種に応じて選択することができ、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器１１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、用紙種に係わらず動作させればトナーに慣性力が付加される分、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、用紙の搬送系を連続紙対応に変更すれば、連続紙にも対応できる。

図１を用いて本発明の圧電バイモルフ素子を用いた別の構成のベルト加振装置を説明する。

厚み９５μｍのＯＰＣ感光ベルト５がローラ６ａ、６ｂに巻き付けられ、張力により、感光ベルト５には１．７×１０^６Ｎ／ｍ^２の応力が働く。圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂについては、実施例１で説明したものと同じものを用いた。上記素子１ａ、１ｂの突起部間距離Ｌｗを４ｍｍ、ベルト押し上げ量ｄが１ｍｍとなるようにＯＰＣ感光ベルト５の下側に、それぞれ３ａ、３ｂを接触させて配置した。
次に、実施例１と同様に突起部３ａ、３ｂで挟まれたベルト領域の裏面の打撃加振により振動の節９ａ、９ｂを測定したところ、Ｌｖは６ｍｍであった。この値を（３）式にベルトの物性値と張力Ｔとともに代入すると、ｆｋ＝３．２ｋＨｚとなった。なお、振動の周波数分析からもほぼ同じ値が検出された。圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂにｆｅが１．６ｋＨｚ（Ｔｅ＝０．６２５ｍｓ）、ＶａｋとＶｂｋが共に２０Ｖの矩形波交流電圧を印加した。その結果ベルトは突起部３ａ、３ｂで挟持されたベルト領域Ｌｗの８ａ、８ｂは、３．２ｋＨｚで振動することがわかった。振動振幅Ｌｋは±８５μｍであった。この結果、（３）式より、ベルトの振動加速度は３．４×１０^４ｍ／ｓ^２となり、実施例１の中間転写ベルトの場合に比べて、１０％大きい加速度の加振特性が得られた。

図５は実施例４にて説明したＯＰＣ感光ベルトの加振装置を用いた転写写装置と、これを搭載した画像形成装置の別の構成を示す図である。本実施例では連続紙である用紙１３に印刷する。回動するＯＰＣ感光ベルト２８に対向して、Ｋトナー画像形成部２９ａ、Ｃトナー画像形成部２９ｂ、Ｍトナー画像形成部２９ｃ、Ｙトナー画像形成部２９ｄを配置する。

ＯＰＣ感光ベルト２８を帯電器２１ａで帯電後、レーザ光学系やＬＥＤ等の露光部２２ａ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２３ａで該感光ベルト２７上にＫトナー画像を形成する。なお、用いたトナーは粒径７μｍのトナーである。次に、帯電器２１ｂで感光ベルト２８面を再帯電し、Ｋトナー画像形成部の露光部２２ａによる露光で帯電電位の下がった領域の電位を回復させる。次に、Ｃトナー画像に対応した光パターンを露光部２２ｂで露光して静電潜像を形成し、現像機２３ｂにて感光ドラム上にＣトナー画像を形成する。このように順次、Ｍトナー画像、Ｙトナー画像を形成することにより、該感光ベルト上にカラー画像が形成される。少なくとも４つの現像機のうち、現像機２３ａを除く、現像機２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは現像ロール上の磁気ブラシが感光ベルト面と接触しない非接触現像機とする。これは前段の現像機にて形成されたトナー画像を磁気ブラシで掻き取らないためである。

回動する感光ベルト２８の外側にコロナ転写器１１、内側に実施例４で説明した圧電バイモルフ素子を用いた加振装置２０を配置する。突起部３ａ、３ｂ間の距離Ｌｗは４ｍｍである。圧電バイモルフ素子１ａ、１ｂは、それぞれ素子駆動周波数ｆｅが１．６ｋＨｚ、±２０Ｖの矩形波交流電源４ａ、４ｂにより駆動される。ここで、４ａ、４ｂの波形の位相差は１８０度である。バイモルフ素子１ａ、１ｂの突起部材３ａ、３ｂが上下方向に振動し、ＯＰＣ感光ベルト２８裏面に打撃を与えた時、ＯＰＣ感光ベルトは３．２ｋＨｚで振動する。粒径７μｍのトナー１個の重量は２．２×１０^―１３ｋｇであり、（２）式より、ＯＰＣ感光ベルト上のトナーには、７．５ｎＮの慣性力Ｆ_Ｂが働く。一方、ＯＰＣ感光ベルト上のトナーに働くファンデルワールス力Ｆｆは７ｎＮであるので、慣性力がファンデルワールス力を上回る。ボックス紙やロール紙等の連続紙１３がトラクタ２９ａと２９ｂにより転写部に搬送される。コロナ転写器１１によって用紙裏面にコロナ電荷１０が与えられると、コロナ電荷１０に基づく静電気力と慣性力により、トナー１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、１８ｂは感光ベルト２８とのファンデルワールス力と鏡像力に打ち勝って飛翔し、転写部に搬送された用紙１３に転写される。

ヒートロール２６ａとバックアップロール２６ｂから構成されるヒートロール定着装置によりトナーは用紙に溶融固着される。連続紙対応の画像装置では用紙の高速搬送が可能であるため、印刷速度の高速化に対応できる。

本発明のベルト加振装置は、圧電バイモルフ素子を使用することによって、従来の超音波振動子を用いた加振装置に比べて低消費電力・小型となり、さらに、従来の圧電バイモルフ素子を用いる方式に比べてベルト振動周波数を数倍以上に高くできるため、トナー担持体ベルト上のトナーに付与できる慣性力を１桁以上大きくできる。このためトナー担持体ベルト上のトナーの付着力を低減できる。この結果、電界による付着力低減法に加え、高効率な付着力低減法を獲得でき、トナーの付着力制御手段が充実した。この技術を活用した本発明のベルト加振装置を用いた転写装置は、表面に凹凸を有するエンボス紙や粗面紙への転写や、両面印刷の第２面のような凹部のある用紙の転写において、画像欠陥のない良好な転写を可能とする。

本実施例では矩形波交流電源を用いたが、正弦波交流電源も使用することができる。また、用紙の搬送系をカット紙対応に変更すれば、カット紙にも対応できることはいうまでもない。

本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置の構成と振動波形を示す図である。 本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置の特性を説明する図である。 本発明の実施例に係る転写装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係る画像形成装置の概略構成図である。 本発明の他の実施例に係る画像形成装置の概略構成図である。 圧電バイモルフ素子の構成図である。 圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置の構成図である。 表面に凹部を有する用紙への静電転写の課題を説明するための図である。 静電転写時にトナー担持体上のトナーに働く力と超音波振動手段を用いた転写装置の説明図である。

符号の説明

１：圧電バイモルフ素子、２：固定部材、３：突起部、４：駆動電源、５：ベルト、７：圧電バイモルフ素子の振動方向、９：突起部で挟持されたベルトの振動節、１１：コロナ転写器、１２：駆動電源、１３：用紙、１４：用紙表面の空隙、１５、１６、１７、１８：Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋトナー、１９：中間転写ベルト、２０：圧電バイモルフ素子を用いたベルト加振装置、２１：感光ドラム、２２：帯電器、２３：露光部、２４：現像機、２５：転写ロール、２６：トナー画像形成部、２７：定着装置、２８：感光ベルト、３１：圧電体、３２：導電性弾性部材（シム材）、３３：電極、３４：自発分極、３７：トナー担持体、３８：超音波振動子。

Claims (7)

1. 圧電バイモルフ素子を駆動することによって、張架されたベルトに振動エネルギーを付
   与するベルト加振装置において、表面に電極を形成した一対の圧電体を導電性弾性部材の
   両面に分極方向を同方向にして貼りあわせた圧電バイモルフ素子の一端を支持固定し、他
   端に突起部を設けた２個の片持ち支持構造体とし、前記張架されたベルトの背面に前記２
   個の片持ち支持構造体を配置し、前記２個の片持ち支持構造体のそれぞれの前記突起部を
   離して前記ベルトに接触させることによって前記ベルトを支持し、支持された前記ベルトのそれぞれの前記突起部の外側端部までをベルト領域とし、前記ベルト領域の共振周波数をｆｋとした時、前記２個の片持ち支持構造体の前記圧電バイモルフ素子は、駆動周波数ｆｅが略々ｆｋ／２に一致した値であって、波形の位相差が１８０度（１／２周期）の交流電圧で駆動されることを特徴とするベルト加振装置。
2. 前記圧電バイモルフ素子の駆動周波数ｆｅとｆｋ／２の比が０．９５から１．１の範囲
   にあることを特徴とする請求項１記載のベルト加振装置。
3. 前記２個の片持ち支持構造体の前記圧電バイモルフ素子が電圧を印加されない状態にお
   いて、前記圧電バイモルフ素子に設けられたそれぞれの前記突起部の前記ベルトの裏面に
   接触する面の高さが同じであって、かつ、それぞれの前記突起部で前記ベルト裏面を０．
   ２〜１．７ｍｍの範囲で前記ベルトの表面の方向に押し上げた状態に設定されることを特
   徴とする請求項１記載のベルト加振装置。
4. 前記張架されたベルトに加わる張力によって生じる応力が、８×１０^５Ｎ／ｍ^２〜３×
   １０ ^６ Ｎ／ｍ^２の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のベルト加振装置。
5. 前記ベルトが、トナー像が表面に現像された感光ベルトあるいは一時的にトナー像を担持する中間転写ベルトであって、前記ベルトに対向して設けられ、該ベルトとの対向領域である転写領域に搬送される記録媒体に、前記ベルト上に形成されたトナー像を静電的に転写する転写手段を有する転写装置において、請求項１及至４のいずれか１項記載のベルト加振装置を用いたことを特徴とする転写装置。
6. 前記転写手段がコロナ転写器であって、前記ベルトのうち、２個の圧電バイモルフ素子の突起部で支持され、振動持にトナーに慣性力が付与するベルト領域がコロナ転写電界が及ぶ範囲内に配置されることを特徴とする請求項５記載の転写装置。
7. 請求項５または請求項６項記載の転写装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

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