(実施例1)
以下に、図面を参照して、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成要素はあくまで例示であり、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は、インライン方式(4ドラム系)のカラー画像形成装置の構成図である。画像形成装置は、イエロー色の画像を形成する画像形成部1aと、マゼンタ色の画像を形成する画像形成部1bと、シアン色の画像を形成する画像形成部1cと、ブラック色の画像を形成する画像形成部1dの4つの画像形成部(画像形成ユニット)を備えている。これらの4つの画像形成部は一定の間隔をおいて一列に配置されている。
各画像形成部1a、1b、1c、1dには、それぞれ像担持体である感光ドラム2a、2b、2c、2dが配置されている。感光ドラム2a、2b、2c、2dは、本実施例では負帯電の有機感光体でアルミニウム等のドラム基体(不図示)上に感光層(不図示)を有しており、駆動装置(不図示)によって所定のプロセススピードで回転駆動される。
各感光ドラム2a、2b、2c、2dの周囲には、帯電部材である帯電ローラ3a、3b、3c、3d、現像装置4a、4b、4c、4dがそれぞれ配置されている。さらに、各感光ドラム2a、2b、2c、2dの周囲には、ドラムクリーニング装置6a、6b、6c、6dがそれぞれ設置されている。さらに、各感光ドラム2a、2b、2c、2dの上方には、露光装置7a、7b、7c、7dがそれぞれ設置されている。各現像装置4a、4b、4c、4dには、それぞれイエロートナー、シアントナー、マゼンタトナー、ブラックトナーが収納されている。
各画像形成部の対向する位置に、中間転写体であって、回転可能な無端状の中間転写ベルト8が設置されている。中間転写ベルト8は、駆動ローラ11、2次転写対向ローラ12、テンションローラ13によって張架されている(以上の3本のローラを、「張架部材」とする)。モータ(不図示)が接続された駆動ローラ11の駆動によって、中間転写ベルト8は、矢印方向(反時計方向)に回転(移動)される。以下、中間転写ベルト8の回転方向を中間転写ベルト8の周方向とする。駆動ローラ11は、中間転写ベルト8を駆動するために表層に高摩擦のゴム層を設け、ゴム層を体積抵抗率が105Ωcm以下の導電性を有する。2次転写対向ローラ12は、中間転写ベルト8を介して2次転写ローラ15と当接して2次転写部を形成している。2次転写対向ローラ12は、表層にゴム層を設け、ゴム層を体積抵抗率が105Ωcm以下の導電性とした。テンションローラ13は、金属ローラからなり、総圧約60Nの張力を中間転写ベルト8に付与し、中間転写ベルト8に従動して回転する。
駆動ローラ11、2次転写対向ローラ12、テンションローラ13は、各々同じ抵抗値の抵抗部材を介して接地している。駆動ローラ11、2次転写対向ローラ12の各ゴム層の抵抗は、抵抗部材に比べて十分小さいため、電気的影響を無視することができる。
2次転写ローラ15としては、体積抵抗率が107〜109Ωcm、ゴム硬度が30°(アスカーC硬度計)の弾性ローラを用いた。又、2次転写ローラ15は、中間転写ベルト8を介して2次転写対向ローラ12に対し、総圧約39.2Nで押圧される。又、2次転写ローラ15は、中間転写ベルト8の回転に伴い、従動して回転する。更に、2次転写ローラ15には、電圧電源19から、−2.0〜7.0kVの電圧の印加が可能となっている。
中間転写ベルト8の外面側には、中間転写ベルト8表面に残った転写残トナーを除去して回収するためのトナー帯電手段が配置されている。トナー帯電手段としてのクリーニングブラシ71は、106〜109Ωcmの導電性を有するナイロン製の繊維が略密となるように構成されたブラシである。クリーニングブラシ71の先端位置は、中間転写ベルト8の表面に対して侵入量が1.0mmとなるように設定されている。クリーニングブラシ71の長手方向(中間転写ベルト8の表面の移動方向と交差する方向)の長さは、中間転写ベルト8上の画像形成可能領域の同方向の幅と略同じである。このように、中間転写ベルト8の表面の移動方向において上流側に位置するクリーニングブラシ71は、中間転写ベルト8の移動に伴って中間転写ベルト8の表面を摺擦する。そして、クリーニングブラシ71には、電圧供給手段としての電源(電圧電源)72から、−2.0〜+2.0kVの電圧の印加が可能となっている。また、中間転写ベルト8の回転方向において、2次転写対向ローラ12と2次転写ローラ15とが当接する2次転写部の下流側には、定着ローラ17aと加圧ローラ17bを有する定着装置17が設置されている。
次に、画像形成動作について説明する。コントローラから画像形成動作を開始するための開始信号が発せられると、カセット(不図示)から転写材(記録媒体)が一枚ずつ送り出され、レジストローラ(不図示)まで搬送される。その時、レジストローラ(不図示)は停止されており、転写材の先端は2次転写部の直前で待機している。一方、各画像形成部1a、1b、1c、1dでは、開始信号が発せられると、各感光ドラム2a、2b、2c、2dが、所定のプロセススピードで回転し始める。各感光ドラム2a、2b、2c、2dは、それぞれ帯電ローラ3a、3b、3c、3dによって一様に、本実施例では負極性に帯電される。そして、露光装置7a、7b、7c、7dは、レーザ光を各感光ドラム2a、2b、2c、2d上にそれぞれ走査露光して静電潜像を形成する。
そして、先ず感光ドラム2a上に形成された静電潜像に、感光ドラム2aの帯電極性(負極性)と同極性である現像電圧が印加された現像装置4aによりイエローのトナーを付着させて、トナー像として可視像化する。感光ドラムの電位は、帯電ローラにより帯電された後の電位が―500V、露光装置により露光された後の電位(画像部)が―100Vとなるよう帯電量、露光量を調整し、現像バイアスを―300Vとしている。また、プロセススピードを250mm/secとする。搬送方向(回転方向)と垂直方向の長さである画像形成幅は215mm、トナー帯電量は―40μC/g、画像ベタ部の感光ドラム上のトナー量は0.4mg/cm2となるよう設定している。
このイエローのトナー像は、回転している中間転写ベルト8上に1次転写される。ここで、各感光ドラムに対向して、各感光ドラムからトナー像が転写される箇所を、1時転写部とする。この1次転写部は、複数の像担持体に対応する形で中間転写ベルト上に複数ある。本実施例は、中間転写ベルト8の外面に接触する電流供給部材から中間転写ベルト8の周方向に流れる電流によって、1次転写を行う。(1次転写の原理は後述する。)
イエローのトナー像が転写された領域は、中間転写ベルト8の回転によって画像形成部1b側に移動する。そして、画像形成部1bにおいても、同様にして感光ドラム2bに形成されたマゼンタのトナー像が、中間転写ベルト8上のイエローのトナー像上に重ね合わせて転写される。以下、同様にして中間転写ベルト8上に重畳転写されたイエロー、マゼンタのトナー像上に、画像形成部1c、1dの感光ドラム2c、2dで形成されたシアン、ブラックのトナー像を、順次重ね合わせてフルカラーのトナー像を中間転写ベルト8上に形成する。
そして、中間転写ベルト8上のフルカラーのトナー像先端が2次転写部に移動されるタイミングに合わせて、レジストローラ(不図示)により転写材をこの2次転写部に搬送する。中間転写ベルト8上のフルカラーのトナー像が、2次転写電圧(トナーと逆極性(正極性)の電圧)が印加された二次転写部材である2次転写ローラ15により転写材に一括して2次転写される。フルカラーのトナー像が形成された転写材は定着装置17に搬送される。定着ローラ17aと加圧ローラ17bによって形成される定着ニップ部で、フルカラーのトナー像は加熱加圧され、転写材P表面に熱定着された後に外部に排出される。転写材に転写されずに中間転写ベルト8上に残留した残留トナーは、本実施例では、クリーニング装置75によって帯電され、1次転写部で各感光ドラムに回収される。
本実施例は、各感光ドラム2a、2b、2c、2dから中間転写ベルト8にトナー像を転写する1次転写を、図2で示す1次転写ローラ55a、55b、55c、55dに電圧電源9から、電圧を印加して行う構成を採用せずに実行することを特徴とする。以下に、本実施例の特徴を説明するために、中間転写ベルト8の体積抵抗率、表面抵抗率、周方向抵抗について説明する。尚、周方向抵抗の定義と測定方法については後述する。
[本実施例で使用される中間転写ベルト8の体積抵抗率、表面抵抗率]
本実施例の中間転写ベルト8は、厚み100μmのポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂にカーボンを分散させて電気抵抗を調整したものを基層としている。尚、使用される樹脂は、ポリイミド(PI)、PVdF、ナイロン、PET、PBT、ポリカーボネート、PEEK、PEN等でもよい。さらに、中間転写ベルト8は多層構成である。具体的には基層の外面には、厚み0.5〜3μmで高抵抗のアクリル樹脂の表層を設けている。表層の高抵抗層は、2次転写部の長手方向で通紙域と非通紙領域の電流差を少なくして小サイズ紙の2次転写性が良化する効果を得るためである。
次にベルトの製造方法について説明する。本実施例では、インフレーション成形法による製造方法を用いている。基材となるPPSと、導電体粉であるカーボンブラックなどの配合成分を二軸混練機により溶融混練する。得られた混練物を環状ダイスによって押出し成形することによりベルトを製造している。
表面コート層は、成形したエンドレスベルトの表面に紫外線硬化樹脂をスプレーコーティングし、乾燥後、紫外線照射により硬化させて形成している。コート層は厚すぎると割れやすくなるため、0.5〜3μmの範囲となるよう塗布量を調整している。
本実施例では、導電体粉としてカーボンブラックを用いている。中間転写ベルト8の電気抵抗値を調節するために混合する添加剤は特に制限されるものではない。抵抗を調整する導電性フィラーとしてはカーボンブラックや各種の導電性金属酸化物等がある。非フィラー系抵抗調整剤としては各種金属塩やグリコール類等の低分子量のイオン導電材やエーテル結合や水酸基等を分子内に含んだ帯電防止樹脂または電子導電性を示す有機高分子化合物等である。
添加するカーボン量を増やすとベルトは低抵抗化するが、増やしすぎるとベルト自体の強度が不足し、割れやすくなってくる。本実施例では、ベルト強度が画像形成装置に使用できる範囲内に収まる範囲内で、ベルトを低抵抗化している。本実施例の中間転写ベルトのヤング率は3000MPa程度である。ヤング率E測定は、JIS−K7127の引張弾性率測定方法に準拠し、測定試料の厚みは100μmとした。
表1に、基体に対するカーボン量の相対比率を変更したベルトを示す。
表1には、添加したカーボン量と表層コート層の有無を示している。例えば、ベルトBはベルトAに対してカーボン量が1.5倍、ベルトCはベルトAに対してカーボン量が2倍であることを示している。また、ベルトA、ベルトB、ベルトCには表層を設けており、ベルトD、ベルトEは単層のベルトである。ベルトBとベルトDのカーボン量の相対比率は同じで、ベルトCとベルトEのカーボン量の相対比率も同じである。
また比較用のベルトとしてカーボン量の相対比率を変えて、抵抗調整したポリイミドの比較例ベルトを製法した。比較例ベルトは、カーボン量の相対比率が0.5であり、体積抵抗率も1010〜1011Ωcmである。この比較例ベルトは、中間転写ベルトに採用されるベルトとしては一般的な抵抗値を有するベルトである。
以下に、比較例ベルトと、ベルトA〜Eの体積抵抗率、表面抵抗率の測定結果を示す。まず、前述の比較例ベルトおよびベルトA〜Eに対して、株式会社三菱化学アナリテック製の抵抗率計ハイレスタUP(MCP−HT450)を用いて測定した。測定した体積抵抗率、表面抵抗率(ベルトの外側表面)を表2に示す。測定方法は、JIS−K6911に準拠し、導電性ゴムを電極とすることで電極とベルトの表面の良好な接触性を得た上で測定した。測定条件は、印加時間を30秒間で、印加電圧を10V、100Vとしている。
比較例ベルトは、印加電圧は100Vを印加した場合に、体積抵抗率が1.0×1010Ωcm、表面抵抗率が1.0×1010Ω/□である。しかしながら、比較例ベルトは印加電圧を10Vにすると流れる電流が小さすぎて体積抵抗率を測定できず、「over」と表示される。
一方、ベルトB、C、Dは100V印加では、ベルトの抵抗が低いため流れる電流値が大きすぎて、体積抵抗率の測定不能を表すunderが表示される。ベルトBは、100V印加で表面抵抗率は2.0×108Ω/□であったが、ベルトC、Dは、100V印加した場合は、underと表示された。
表2中で、ベルトAの印加電圧10Vの各体積抵抗率、表面抵抗率は測定不能である。また、100Vを印加した場合のベルトAと比較例ベルトの表面抵抗率を比較すると、ベルトAの方が高い。これはコート層の影響によるもので、高抵抗の表層コートを有するベルトAのほうが、表層コートを有していない比較例ベルトより抵抗が高いことが分かる。
また、ベルトBとベルトD、ベルトCとベルトEを比較することで、コート層があることで、抵抗値が高くなっていることがわかる。また、ベルトBとベルトC、ベルトDとベルトEを比較することで、カーボン量を増やすと、抵抗値が低くなっていることがわかる。ベルトEでは抵抗が低すぎて、全ての項目が測定不能となっている。
本実施例では、表2でunderと表示される範囲の中間転写ベルトを使用する必要がある。そこで、上記体積抵抗率、表面抵抗率以外で規定される中間転写ベルトの抵抗を測定した。その別の規定による中間転写ベルト8の抵抗が、上述の中間転写ベルトの周方向の電気抵抗である。
[中間転写ベルトの周方向抵抗の求め方]
本実施例では、低抵抗化したベルトの抵抗値を図3で示す方法で測定している。図3(a)では、電圧電源19から外面ローラ15Mに一定電圧を印加した時に、画像形成部1dの感光ドラム2dMに繋いだ電流計へ流れる電流を検知する。この検知した電流値から、外面ローラ15Mが接触する位置から感光ドラム2dMが接触する位置の間の中間転写ベルト8の電気抵抗を求める方法を用いている。即ち、この方法によって中間転写ベルト8の周方向(回転方向)に流れる電流を測定することで、ベルトの抵抗を算出している。このとき中間転写ベルト以外の抵抗の影響を無くすため、外面ローラ15M、感光ドラム2dMは金属のみからなるものを用いる。図中では、金属ローラであることを示すために符号にM(Metal)を付加している。本実施例では、外面ローラ15Mの当接部−感光ドラム2dM間の距離は中間転写ベルト上面側が370mm、中間転写ベルト下面側が420mmである。
以上の測定方法で、印加電圧を変更してベルトA〜Eを測定した結果が図4(a)である。この測定方法では中間転写ベルトの回転方向である周方向の抵抗を測定している。よって、本実施例では、この測定方法で測定した中間転写ベルトの抵抗を周方向抵抗[Ω]と称している。
全てのベルトで印加電圧を上げていくと周方向抵抗が少しずつ低下していく傾向があるが、これは樹脂にカーボンを分散したベルトの特徴である。
尚、図3(b)は図3(a)に対して、電流計の位置のみを変えただけである。この時の抵抗測定結果は、図4とほぼ同じ結果であり、本実施例の測定方法は、電流計の位置によって変動しない。
ベルトA〜Eでは、図3で示す方法で周方向抵抗測定できるが、比較例ベルトでは周方向抵抗測定できなかった。この理由は、比較例ベルトは、図2で示すような各1次転写ローラ55a、55b、55c、55dに夫々電圧電源が接続された構成の画像形成装置で使用されるベルトであるためである。
図2の構成の画像形成装置では、隣り合う電圧電源9が中間転写ベルトを介してお互いに流れ込む電流によって影響を受けないように(干渉しないように)、中間転写ベルトの体積抵抗、面積抵抗は高く設計されている。比較例ベルトは、各1次転写ローラ55a、55b、55c、55に電圧を印加しても各1次転写部間で干渉しない程度の抵抗を持つベルトであり、周方向に電流が流れにくい性能を持つベルトとして設計されている。比較例ベルトのようなベルトを高抵抗ベルト、ベルトA〜Eのような周方向に電流が流れるベルトを低抵抗のベルトである導電性ベルトと定義する。
図4(b)は、図3(a)の測定方法で測定した電流をそのままプロットしたものである。前述の図4(a)の縦軸(抵抗[Ω])は、図4(b)の測定された電流値を印加電圧で割ることで換算した値である。
図4(b)に示すように、比較例ベルトでは2000V印加しても周方向に電流は流れなかった。しかしながら、ベルトA〜Eでは、500v以下で50μA以上流れていることがわかる。本実施例で、中間転写ベルトとして使用するベルトは、上記周方向抵抗で104〜108Ωである。
次に、上記周方向抵抗が104〜108Ωである中間転写ベルト8のベルト表面電位について説明する。図5にベルト表面電位の測定方法を示している。図中では4つの表面電位計で、4箇所の電位測定をしている。尚、図中の5dM、5aMは測定用の金属ローラである。表面電位計37aおよび測定プローブ38aは画像形成部1aの1次転写ローラ5aM(金属ローラ)の電位を測定している。測定器はトレック・ジャパン株式会社製表面電位計MODEL344を使用した。金属ローラは中間転写ベルト内面と同電位となるため、本方法で中間転写ベルト内面電位を測定することができる。同じく、表面電位計37dおよび測定プローブ38dは画像形成部1dの1次転写ローラ5dM(金属ローラ)の電位により中間転写ベルト内面の電位を測定している。
また、表面電位計37eおよび測定プローブ38eは駆動ローラ11Mを対向にして中間転写ベルト外面電位を測定しており、表面電位計37fおよび測定プローブ38fはテンションローラ13を対向にして中間転写ベルト外面電位を測定している。また、駆動ローラ11M、2次転写対向ローラ12、テンションローラ13には各々電気的な抵抗部材を接続している。
本測定方法で中間転写ベルトの電位を測定したところ、測定箇所による差はほぼ無く、ベルト電位は中間転写ベルト内でほぼ同電位であることがわかった。つまり本実施例で用いたベルトは、ある程度抵抗値を持つものの、導電性を有するベルトと考えて差し支えない。
図6に中間転写ベルト電位の測定結果を示す。ここで、駆動ローラに接続する抵抗部材をRe、2次転写対向ローラ12に接続する抵抗部材をRg、テンションローラ13に接続する抵抗部材Rfとする。図(a)はRe=Rf=Rg=1GΩの抵抗素子を用いた場合の結果である。横軸は転写用の電圧電源31に印加した電圧(印加電圧)、縦軸は中間転写ベルトの電位であり、ベルトA〜Eでの結果を示している。
また同様に、図6(b)はRe=Rf=Rg=100MΩ、図6(c)はRe=Rf=Rg=10MΩの場合の結果を示している。
どのベルトも印加電圧を上げていくと、ベルト電位も上昇する。また、抵抗値を1GΩ、100MΩ、10MΩと下げていくと、ベルト電位は下降する。ここではRe、Rf、Rgの抵抗値を全て同じにしているが、どれか1つの抵抗値を下げると、その抵抗に従ってベルト電位が下がることが分かっている。
また、比較例ベルトのように周方向に電流がほぼ流れない抵抗値の中間転写ベルトでは、上述のような方法でベルト電位を測定することはできない。図2で示すような各1次転写ローラに専用の電圧電源9により電圧を印加する構成では、電位測定プローブを配置することができない。またベルト周方向の位置で電位が異なるため、張架ローラ(張架部材)を対向にして電位測定プローブを配置して測定しても意味が無いからである。
次に、図7に基づき本実施例の構成で、感光ドラムから中間転写ベルトにトナー像を転写することができる理由を説明する。図7(a)は、1次転写部の電位関係を説明した図である。感光ドラムの電位は、トナー部(画像部)で―100V、中間転写ベルトの表面電位として+200Vの例を示している。感光ドラム上に現像された帯電量qをもつトナーは、感光ドラム電位と中間転写ベルト電位とにより形成された電界Eにより、中間転写ベルト方向の力Fを受けて1次転写される。
次に、図7(b)は多重転写を説明した図である。多重転写とは、1度中間転写ベルト上に1次転写されたトナーの上に、さらに他色のトナーを重ねて1次転写することである。図7(b)では、トナーはマイナスに帯電されており、この1度転写されたトナーによりトナー表面の電位が+150Vとなっている例を示している。この場合、感光ドラム上のトナーは、感光ドラム電位とトナー表面電位とにより形成された電界E’により、中間転写ベルト方向の力F’を受けて1次転写される。図7(c)は、多重転写が終了したことを示している。
このように、トナーを1次転写するにはトナーの帯電量と、感光ドラムと中間転写ベルトの電位差が関係しており、1次転写性を確保するには中間転写ベルト電位が一定以上必要であることがわかる。
本実施例の前述の条件で、感光ドラム上に現像されたトナーを1次転写するのに必要な中間転写ベルト電位を検討すると、200V以上必要であることがわかった。
図7(d)は、横軸に中間転写ベルト電位、縦軸に転写効率をプロットしたグラフである。転写効率とは、感光ドラム上に現像されたトナーが何%中間転写ベルト上に転写されたかを示す転写性の指標であり、通常95%以上あれば問題無く転写できていると判断する。図は中間転写ベルト電位200V以上で98%以上の良好な転写をしていることを示している。
このとき、各画像形成部1a、1b、1c、1dでの感光ドラムと中間転写ベルトの電位差は全て同じである。つまり、感光ドラム電位―100Vと中間転写ベルト電位+200Vの電位差300Vが、各画像形成部1a、1b、1c、1dの1次転写部に形成されている。この電位差は、上記トナー3色分(単色ベタを100%として300%分)の多重転写に必要な電位差であり、従来の1次転写構成で各1次転写ローラに各々1次転写電圧を印加した場合とほぼ同等である。通常の画像形成装置は4色備えていても400%の画像形成することは無く、最大トナー量として、210〜280%程度で十分なフルカラー画像形成を行うことができている。
よって、本実施例では、中間転写ベルトの表面電位が所定電位になるように中間転写ベルトの周方向に電流を流すことで、1次転写を可能としている。本実施例では、2次転写部材である2次転写ローラ15に電圧を印加することによって、一つの電圧電源で、1次転写と2次転写を行うことが可能になる。即ち、2次転写ローラ15が、中間転写ベルト8の周方向に電流を流すための電流供給部材を兼ねている。2次転写は、中間転写ベルト8上に1次転写されたトナーを、1次転写と同様にクーロン力によって転写材上へ移動させることである。本実施例の条件で、記録材として上質紙(坪量75g/m2)を用い、2次転写するのに必要な2次転写電圧は2kV以上である。電流供給部材は、2次転写ローラ15と必ずしも兼用させる必要なく、電圧電源を別に設けて、中間転写ベルト8の外面に接触する接触部材でもよい。接触部材としては、ローラ、帯電ブラシ、回転ブラシ等が考えられる。この接触部材に電圧電源から電圧を印加することで、電流供給部材として使用できる。
図8(a)(b)(c)は、図6の中間転写ベルト電位に1次転写と2次転写の成立の条件を付加したものである。図8(a)は抵抗部材に1GΩ、図8(b)は抵抗部材に100MΩ、図8(c)は抵抗部材に10MΩの抵抗素子を使用した場合の結果を示す。図8の点線Aは、1次転写するのに必要な中間転写ベルト電位のラインである。図8のBは、2次転写設定範囲を示す。図8(a)、(b)のように、1GΩ、100MΩの場合は、一定以上の2次転写電圧を印加することで、1次転写、2次転写がOKとなっている。図8(c)のように、10MΩの場合は、より多くの2次転写電圧が必要となることがわかる。10MΩでも2次転写電圧を上げれば、2次転写OKとなるが、実際は張架ローラに電流を流しているので、より大容量の電源が必要となってしまう。2次転写部を転写材が通過している間は、転写材の抵抗により中間転写ベルト8の電位は低下するが、その低下分をあらかじめ想定して電流供給部材に印加する電圧を設定しておけばよい。
また、1次転写部と2次転写部が十分離れている場合、必要であれば1次転写時は1次転写に最適な転写電圧を2次転写ローラ15に印加する。1次転写が終了し2次転写のタイミングになったら2次転写に最適な転写電圧に切り替えることも可能である。
中間転写ベルト8上に残留したトナーは、各感光ドラムに転移させ、感光ドラムからドラムクリーニング装置6によって回収する。図9に基づいて詳細に説明する。2次転写工程で転写材上に転写されなかったトナーを、ベルトクリーニング装置75のトナー帯電部材であるクリーニングブラシ71により帯電する。クリーニングブラシには、電源電圧72よりトナーの正規の帯電極性と逆極性の電圧が印加されており、残留トナーはトナーの正規の帯電極性と逆極性に帯電される。帯電された残留トナーは1次転写部で感光ドラム2に転移される。感光ドラム1a上へ転移されたトナーはドラムクリーニング装置6aへ回収される。
さらに、連続画像形成時は、次のプリントに対する各感光ドラムから中間転写ベルト8にトナー像を1次転写する1次転写と、残留トナーの中間転写ベルトから感光ドラムへの転移は同時に行われる。本実施例では、現像装置4aにおいてトナーは負極性に帯電されており、上記クリーニングブラシ71通過後の残留トナーの極性とは逆極性である。
本実施例の画像形成装置は、中間転写ベルト8を介して感光ドラム2a,2b,2c,2dを押圧する押圧部材でもある1次転写部材を有していない。押圧部材を有していない構成であるが、感光ドラム2a,2b,2c,2dに対する中間転写ベルト8の当接離間状態を切換えることが可能な構成となっている。当接離間状態は、モードによって切り換る。
第1モードは、全ての感光ドラム2と中間転写ベルト8が当接状態であるモードである。第1モードの時に、全ての感光ドラムから中間転写ベルトにトナー像を転写する多色画像形成を行うカラーモード(第1のモード)を実行可能である。
第2モードは、最上流側の感光ドラム2aのみが中間転写ベルト8から離間するモードである。つまり、感光ドラム2b、2c、2dは中間転写ベルト8と当接状態である。
第3モードは、最上流側の感光ドラム2aに加え、感光ドラム2bも中間転写ベルト8から離間しているモードである。つまり、感光ドラム2c、2dは中間転写ベルト8と当接状態である。
第4モードは、感光ドラム2a、2b、2cが中間転写ベルト8から離間するモードである。つまり、最下流の感光ドラム2dのみが中間転写ベルト8と当接している状態である。第4モードの時に、単色のみで画像形成を行うモノクロモード(第2のモード)を実行可能である。
次に、本実施例の各感光ドラム2と中間転写ベルトを当接離間する機構(離間手段)について説明する。図10(a)は各感光ドラム2a、2b、2c、2d、駆動ローラ11、2次転写対向ローラ12およびベルト押し上げコロ50a(第1の回転体)、50b(第2の回転体)の位置関係を示している。尚、本実施例の複数の1次転写部は、第1の張架部材である駆動ローラ11と第2の張架部材である2次転写対向ローラ12で張架される中間転写ベルトの部位で形成されている。ここで、ベルト押し上げコロ50a、50bは1次転写部と1次転写部の間に設けられ、複数の像担持体に対する前記中間転写ベルトの当接離間状態を切換える切換え部材である。コロ50a,50bの中間転写ベルトに対する接触位置を変更することで、複数の感光ドラム2に対する中間転写ベルト8の当接離間状態を切換えることが可能である。
感光ドラム2a、2b、2c、2dは、感光ドラム2a、2b、2c、2dの配列方向に対して垂直方向にずらして配置されている。具体的には、感光ドラム2aよりも感光ドラム2bを中間転写ベルト8側に配置し、感光ドラム2bよりも感光ドラム2cを中間転写ベルト8側に配置、さらに感光ドラム2cよりも感光ドラム2dを中間転写ベルト8側に配置している。また、感光ドラム2a、2b、2cは、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線よりも上方に配置している。そして、感光ドラム2dのみが駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線よりも下方に配置している。
次に、ベルト押し上げコロ50a、50bは両端側で後述するコロ軸受51によって回動可能に支持されおり、また、後述するベルト押し上げコロ50a、50bを中間転写ベルト8に対して移動させる移動機構によって、昇降可能に支持されている。移動機構の詳細は後述する。本実施例においては、ベルト押し上げコロ50aは感光ドラム2aと2bとの間に設置され、ベルト押し上げコロ50bは感光ドラム2cと2dとの間に設置されている。
ベルト押し上げコロ50aが感光ドラム2aと2bとの間に設置され、中間転写ベルト8を感光ドラム2a、2b側へ押し上げることによって、中間転写ベルト8と感光ドラム2a、2bを接触させることができる。感光ドラム2a、2bの両方が中間転写ベルト8と接触している状態からベルト押し上げコロ50aによる中間転写ベルト8の押し上げ量を減少させていくと、感光ドラム2bのみが中間転写ベルト8と接触する。感光ドラム2aは、中間転写ベルト8に対して離間している状態になる。この理由は感光ドラム2aよりも感光ドラム2bを中間転写ベルト8側に配置しており、感光ドラム2a、2bが駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線よりも上方に配置されているためである。さらに、ベルト押し上げコロ50aによる中間転写ベルト8の押し上げ量を減少させていくと、感光ドラム2a、2bを中間転写ベルト8に対して離間することが可能となる。
また同様に、ベルト押し上げコロ50bは感光ドラム2cと2dとの間に設置されており、中間転写ベルト8を感光ドラム2c、2d側へ押し上げることによって、中間転写ベルト8と感光ドラム2cを接触させることができる。
感光ドラム2dは駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線よりも下方に配置されているため、中間転写ベルト8と接触している。また、ベルト押し上げコロ50bによるに中間転写ベルト8の押し上げによって、一定量の接触を確保することができる。
感光ドラム2c、2dの両方が中間転写ベルト8と接触している状態からベルト押し上げコロ50bによる中間転写ベルト8の押し上げ量を減少させた場合について説明する。この場合は、感光ドラム2dのみが中間転写ベルト8と接触し、感光ドラム2cが中間転写ベルト8に対して離間している状態になる。この理由は感光ドラム2cよりも感光ドラム2dを中間転写ベルト8側に配置しており、感光ドラム2cが駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線よりも上方に配置されているためである。
尚、本実施例においては、感光ドラム2a、2b、2c、2d全てを中間転写ベルト8から全離間するモードを有していない。全離間モードを設定する場合は感光ドラム2dを駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線よりも上方に配置することが望ましい。
本実施例における具体的な寸法関係を一例として示す。4つの感光ドラム2a、2b、2c、2dは、外径φ30mmとし、96mmの間隔で一列に配置されている。また、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、感光ドラム2aは2.0mm上方に配置、感光ドラム2bは1.2mm上方に配置、感光ドラム2cは0.4mm上方に配置している。一方で、感光ドラム2dは0.4mm下方に配置している。また、2次転写対向ローラ12と感光ドラム2aとの中心間距離を48mm、駆動ローラ11と感光ドラム2dとの中心間距離を30mmとしている。
さらに、第1モードにおいて、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、ベルト押し上げコロ50aは3.8mm、ベルト押し上げコロ50bは1.1mm中間転写ベルト8を押し上げるように配置している。また、ベルト押し上げコロ50aと感光ドラム2aとの中心間距離を35mm、ベルト押し上げコロ50bと感光ドラム2cとの中心間距離を32mmとしている。
ベルト押し上げコロ50a、50bは外径φ4mmの芯金に対し、同軸上に外径φ8mmの円筒部材を有している。円筒部材はPOM(ポリオキシメチレン)、ポリアミド、ポリカーボネート等の樹脂材料によって形成される。
また、ベルト押し上げコロ50a、50bは、中間転写ベルト8の回転に伴い、従動して回転する。また、ベルト押し上げコロ50a、50bは電気的に絶縁にしてあり、中間転写ベルト8に対して加圧付勢のみを行う。
図10(b)は,少なくとも、中間転写ベルト8、複数の張架部材11、12、13、切換え部材50a,50b,移動機構を有する転写ベルトユニット80および感光ドラム2a〜2dを示す概略斜視図である。
張架部材である駆動ローラ11、2次転写対向ローラ12、テンションローラ13の3本の張架ローラから構成される空間には、ベルト押し上げコロ50a、50bが設けられている。さらに、その空間には、ベルト押し上げコロ50a、50bを移動させるための移動機構が配置されている。
次に、ベルト押し上げコロ50a、50bを移動させるための移動機構について説明する。転写ベルトユニット80は、不図示の駆動出力部より、カップリング52を介して装置本体の駆動源から駆動伝達される。カップリング52は同軸上において第1離間ギア53と係合されている。そして、第1離間ギア53はアイドラギアである第2離間ギア54を介して、第3離間ギア85に接続される。
第3離間ギア85には同軸上に離間軸56が取り付けられており、離間軸56は転写ベルトユニット80の幅方向の対向側に到達している。また、離間軸56の両側には、2つのカムが結合された離間カム57が固定されている。
ここで、第1離間ギア53の歯数は16であり、第3離間ギア85の歯数はその4倍の64としている。そして、カップリング52の駆動上流にある不図示の欠歯ギアとソレノイドにより、ソレノイドのON/OFF1回ごとに、カップリング52および第1離間ギア53を1回転、第3離間ギア85を1/4回転させる。回転制御に関しては、欠歯ギアとソレノイドの構成以外に、ステッピングモータによる回転角度制御や、電磁クラッチなどの駆動制御手段を用いても同等の機能を実現することができる。
図11(a)に離間カム57周辺の部材を抜き出して示す。転写ベルトユニット80は、中間転写ベルト8の幅方向両側に第1離間ロッド58と第2離間ロッド59を対称的に有している。そして、圧縮バネ60によって、第1離間ロッド58と第2離間ロッド59はそれぞれ離間カム57に付勢される。この第1離間ロッド58と第2離間ロッド59は離間カム57の回転に追従して、複数の感光ドラム2a〜2dの配列方向にスライドすることができる。また、第1離間ロッド58および第2離間ロッド59のスライドに対して、ベルト押し上げコロ50a、50bを支持するコロ軸受51を追従移動させることにより、ベルト押し上げコロ50a、50bの移動を可能にしている。
以下では各部材の接続状態についてより詳細に述べていく。図11(b)は、離間カム57の部分拡大斜視図である。図12(a)はコロ軸受51の部分拡大図である。図12(b)、12(c)は、図11(a)内の矢印F方向から見た概略断面図である。
図11(b)に示すように、離間カム57は第1離間カム57aと第2離間カム57bの2つのカムが結合されている。第1離間カム57aは第1離間ロッド58に対して接続され(図12(b))、第2離間カム57bは第2離間ロッド59に対して接続されている(図12(c))。
第1離間カム57aは、3水準の円弧半径r1〜r3を有しており、第2離間カム57bは2水準の円弧半径r4、r5を有している。そして、第1離間カム57aおよび第2離間カム57bのカム形状に応じて、第1離間ロッド58および第2離間ロッド59が複数の感光ドラム2a〜2dの配列方向にスライドする。
ところで、コロ軸受51は図12(a)に示すように、ボス部51b、回転支点51cを有している。そして、転写加圧バネ51dによって、中間転写ベルト8側へ付勢されており、回転支点51cを中心として矢印R方向に揺動可能に支持されている。
第1離間ロッド58は、図12(b)に示すように3箇所の移動規制部58k1〜58k3を有しており、移動規制部58k1〜58k3のいずれかにおいて、コロ軸受51aのボス部51bの移動を規制している。
また、第2離間ロッド59は、図12(c)に示すように、2箇所の移動規制部59k1、59k2を有しており、同様に移動規制部59k1、59k2のどちらかにおいてコロ軸受51のボス部51bの移動を規制する。
本実施例では、供給電源の瞬間停電等による異常な場合を除き、電源OFFおよびスタンバイ状態は第1モードに設定されている。前述したように、転写ベルトユニット80はカップリング52の駆動上流にある不図示の欠歯ギアとソレノイドにより、ソレノイドのON/OFF1回ごとに、カップリング52および第1離間ギア53を1回転、第3離間ギア55を1/4回転させている。これによって、感光ドラム2a〜2dに対する中間転写ベルト8の接触状態が図13、図14、図15、図16、図13に示す状態に順々に移行する。図13は第1のモード時、図14は第2のモード時、図15は第3のモード時、図16は第4のモード時を夫々示している。以下では、図17に示すカム線図を用いて、上述した4つのモードについて説明を進めていく。
まず第1モードについて説明する。
第1離間カム57aは、第1離間カム57aにおいて最大半径である円弧半径r1領域で第1離間ロッド58と接続されている。この時、コロ軸受51のボス部51bは第1離間ロッド58の移動規制部58k1において、移動を規制されている(第1離間ロッド58の位置が決定される)。移動規制部58k1は、移動規制部58k1〜58k3の中で最も中間転写ベルト8を押し上げる位置に設定されている。そのため、ボス部51bが移動規制部58k1において規制される場合、ベルト押し上げコロ50aによる中間転写ベルト8の押し上げ量は最大となる。
具体的には、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、ベルト押し上げコロ50aが3.8mm中間転写ベルト8を押し上げるように移動規制部58k1を設定している。
ところで、前述したように、感光ドラム2a、2bは駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、それぞれ2.0mm上方に配置、1.2mm上方に配置している。これにより、中間転写ベルト8と感光ドラム2a、2bを接触させることができる。
第2離間カム57bは、第2離間カム57bにおいて最大半径である円弧半径r4領域で第2離間ロッド59と接続されている。この時、コロ軸受51のボス部51bは第2離間ロッド59の移動規制部59k1において移動を規制されている(第2離間ロッド59の位置が決定される。)ボス部51bが移動規制部59k1において規制される場合、ベルト押し上げコロ50bは中間転写ベルト8を押し上げる位置において支持される。
具体的には、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、ベルト押し上げコロ50bが1.1mm中間転写ベルト8を押し上げるように移動規制部59k1を設定している。一方、感光ドラム2c、2dは駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、それぞれ0.4mm上方に配置、0.4mm下方に配置している。これにより、中間転写ベルト8と感光ドラム2c、2dを接触させることができる。
次に第2モードについて説明する。第1モードの状態からカップリング52が1回転すると、第1離間カム57aは円弧半径r2の領域へと移行する。第1離間カム57aが、円弧半径r2領域で第1離間ロッド58と接続されると、第1離間ロッド58は図12(b)に示す矢印G方向へとスライド移動する。このスライド移動によって、コロ軸受51のボス部51bは第1離間ロッド58の移動規制部58k2において、移動を規制されるようになる。移動規制部58k2は移動規制部58k1よりも中間転写ベルト8側から離れるように設定されているため、コロ軸受51は中間転写ベルト8側から離れる方向に、回転支点51cを中心として回転移動する。すなわち第1モードよりもベルト押し上げコロ50aによる中間転写ベルト8の押し上げ量が減少する。また、回転支点51cを中心として回転移動するため、ベルト押し上げコロ50aは第1モードよりも感光ドラム2b側へと移動する。
具体的には、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、ベルト押し上げコロ50aが1.8mm中間転写ベルト8を押し上げるように移動規制部58k2を設定している。一方、感光ドラム2a、2bは駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、それぞれ2.0mm上方に配置、1.2mm上方に配置している。
これにより、感光ドラム2bが中間転写ベルト8と接触し、感光ドラム2aが中間転写ベルト8に対して離間している状態になる。第2離間カム57bは、第1モードの状態からカップリング52が1回転しても、第1モードと同様に、円弧半径r4領域で第2離間ロッド59と接続されている。そのため、第2離間ロッド59のスライド移動はなく、ベルト押し上げコロ50bは第1モードと同じ位置を維持する。すなわち、感光ドラム2c、2dは中間転写ベルト8と接触した状態である。
次に第3モードについて説明する。第2モードの状態からカップリング52が1回転すると、第1離間カム57aは円弧半径r3の領域へと移行する。第1離間カム57aが、円弧半径r3領域で第1離間ロッド58と接続されると、第1離間ロッド58は図12(b)に示す矢印G方向へとさらにスライド移動する。このスライド移動によって、コロ軸受51のボス部51bは第1離間ロッド58の移動規制部58k3において、移動を規制されるようになる。移動規制部58k3は移動規制部58k2よりもさらに中間転写ベルト8側から離れるように設定されているため、コロ軸受51は中間転写ベルト8側から離れる方向に、回転支点51cを中心として回転移動する。具体的には、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、ベルト押し上げコロ50aが0.2mm離間するように移動規制部58k3を設定している。一方、感光ドラム2a、2bは駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、それぞれ2.0mm上方に配置、1.2mm上方に配置している。これにより、感光ドラム2a、2bは中間転写ベルト8に対して離間している状態になる。
第2離間カム57bは、第2モードの状態からカップリング52が1回転しても、第1モードおよび第2モードと同様に、円弧半径r4領域で第2離間ロッド59と接続されている。そのため、第2離間ロッド59のスライド移動はなく、ベルト押し上げコロ50bは第1モードと同じ位置を維持する。すなわち、感光ドラム2c、2dは中間転写ベルト8と接触した状態である。ところで、第3モードの場合、ベルト押し上げコロ50aを中間転写ベルト8から離間させているため、2次転写対向ローラ12の上側と感光ドラム2cの下側に接する接線が概ね中間転写ベルト8の軌道となる。本実施例においては、感光ドラム2bよりも感光ドラム2cを下方に配置しているため、より確実に感光ドラム2bを中間転写ベルト8から離間させることが可能となる。
次に第4モードについて説明する。第1離間カム57aは、第3モードの状態からカップリング52が1回転しても、第3モードと同様に、円弧半径r3領域で第1離間ロッド58と接続されている。そのため、第1離間ロッド58のスライド移動はなく、ベルト押し上げコロ50aは第3モードと同じ位置を維持している。すなわち、感光ドラム2a、2bは中間転写ベルト8に対して離間している状態になる。一方、第2離間カム57bは、第3モードの状態からカップリング52が1回転すると、円弧半径r4の領域から円弧半径r5の領域へと移行する。第2離間カム57bが、円弧半径r5領域で第2離間ロッド59と接続されると、第2離間ロッド59は図12(c)に示す矢印K方向へとスライド移動する。このスライド移動によって、コロ軸受51のボス部51bは第2離間ロッド59の移動規制部59k2において、移動を規制されるようになる。移動規制部59k2は移動規制部59k1よりも中間転写ベルト8側から離れるように設定されているため、コロ軸受51は中間転写ベルト8側から離れる方向に、回転支点51cを中心として回転移動する。
具体的には、駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、ベルト押し上げコロ50bが0.4mm離間するように移動規制部59k2を設定している。一方、感光ドラム2c、2dは駆動ローラ11および2次転写対向ローラ12の上側に接する接線に対して、それぞれ0.4mm上方に配置、0.4mm下方に配置している。これにより、感光ドラム2dのみが中間転写ベルト8と接触し、感光ドラム2cが中間転写ベルト8に対して離間している状態になる。
そして、第4モードの状態からカップリング52が1回転すると、第1離間カム57aおよび第2離間カム57bは再び第1モードの状態に戻る。つまり、第1離間ロッド58は図12(b)に示す矢印F方向へとスライド移動し、コロ軸受51のボス部51bは第1離間ロッド58の移動規制部58k1において、移動を規制されるようになる。また第2離間ロッド59は図12(c)に示す矢印L方向へとスライド移動し、コロ軸受51のボス部51bは第2離間ロッド59の移動規制部59k2において、移動を規制されるようになる。
尚、モードの状態を検知するために、転写ベルトユニット80がモード検知手段を有してれば望ましく、例えば、第3離間ギアの位相が第1モードである場合に、第3離間ギア55と同期するフラグでセンサを遮光するような構成を有していてもよい。
以上に説明したように、本発明においては、切換え部材であるコロ50a、50bを移動機構によって移動させることで、中間転写ベルト8が感光ドラム2a、2b、2c、2dと当接および離間が可能な構成となっている。よって、1次転写部材を有することなく、各感光ドラムから中間転写ベルト8へのトナー像の1次転写と、中間転写ベルト8と各感光ドラムとの当接離間状態を切換えることが可能である。
導電性の中間転写ベルト8の周方向に電流を流すことによってトナー像を1次転写する画像形成装置において、例えば、フルカラー画像を形成する場合は第1モード、モノ画像を形成する場合は第4モードを実行する。このような構成にすることによって、モノモード時に導電性の中間転写ベルト8と使用しない感光ドラムを接触することを防ぐ。それにより、使用しない感光ドラムの消耗を抑制し、使用しない感光ドラムが導電性の中間転写ベルトに流れる電流によって帯電されることを抑制することが可能である。
また、本実施例の画像形成装置では、残留トナーを回収する際に中間転写ベルト8と各感光ドラム2との当接離間状態を切換えることで、残留トナーを回収する画像形成部を選択することが可能である。まず、複数枚のカラー画像を印刷する場合、第1モードを選択した上で画像形成を行う。中間転写ベルト8上に形成された1枚目のトナー像が2次転写部に到達した時点において、後続のトナー像が画像形成部1aにて中間転写ベルト8に1次転写されている場合、第1モードの選択を維持したまま画像形成を続けることになる。すると、クリーニングブラシ71で正極性の電荷を付与された1枚目の残留トナーが画像形成部1aに到達し、画像形成部1aにて残留トナーが回収される。以後、最後の転写材に対するトナー像が画像形成部1aにて中間転写ベルト8に1次転写されるまで、第1モードの選択を維持したまま画像形成を続ける。この間、残留トナーは画像形成部1aにて回収される。
そして、最後の転写材に対するトナー像の画像形成部1aにおける1次転写が終了すると、第1モードの選択を解除し、第2モードを選択する。同様に、最後の転写材に対するトナー像の画像形成部1bおける1次転写が終了すると、第2モードの選択を解除し、第3モードを選択する。さらに、最後の転写材に対するトナー像の画像形成部1cおける1次転写が終了すると、第3モードの選択を解除し、第4モードを選択する。このようにモードを選択することで、クリーニングブラシ7により帯電された残留トナーを画像形成を行わない画像形成部を通過させることが可能になる。
モノクロ画像を印刷する場合、第4モードを選択した上で画像形成を行い、残留トナーを画像形成部1dにて回収することが可能である。本実施例のような残留トナーをベルトクリーニング装置75で帯電して回収する構成で導電性の中間転写ベルトの周方向に電流を流すと、中間転写ベルト8の表面電位は正極性に保たれている。よって、中間転写ベルト8を複数の感光ドラム2に対して当接離間させる構成を有していないと、帯電された残留トナーは、帯電後に最初に到達する1次転写部で感光ドラム2に転移されてしまう。その結果、残留トナーを回収する回収トナー容器が一つに集中してしまう問題が生じる。本実施例では、導電性を有する中間転写ベルト8を有する画像形成装置であっても、切換え部材によって複数の感光ドラム2に対する中間転写ベルト8の当接離間状態を切換えることが可能であり、一つの回収トナー容器に残留トナーが集中することを抑制できる。
尚、それぞれの画像形成部1a、1b、1c、1dでの残留トナーの回収量を把握するために、回収トナー容器10の回収トナー量を検知した結果や、現像手段4に残ったトナー量を検知した結果を利用することも可能である。これらの結果に基づいて、残留トナーをどの画像形成部に振り分けて回収するかを決定することができる。