JP7150517B2 - プロセスカートリッジおよび画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、記録材に画像を形成する電子写真プリンター、電子写真複写機などの画像形成装置に用いられるプロセスカートリンジおよび画像形成装置に関する。
従来では、プロセスカートリッジにおいて、帯電部材を感光体ドラムと接触して、感光体ドラムの表面を一様に帯電させる「接触帯電方式」がある。「接触帯電方式」では、静電潜像を形成するに必要な感光体ドラムの表面電位(Vd)を得るために、Vdよりも高い直流(DC)電圧を帯電部材に印加する必要がある。
一方、「接触帯電方式」では、直流電圧を印加すると、感光体ドラムと帯電部材の間(微小ギャップ)で放電現象が発生することがある。特に、「接触帯電方式」は、非接触帯電方式と比べて放電現象が「微小ギャップ」の中で行われるため、オゾンやNOxなどの放電生成物が感光体ドラムの表面に付着されやすい。その結果、感光体ドラムの表面に放電生成物からなる異物の付着により、感光体ドラムの表面に電荷保持能力が低下し、画像不良が生じやすくなる。
感光体ドラム上の放電生成物(付着物)による画像不良を改善するために、例えば、特許文献1では、ヒーターやファンなどによって、感光体ドラムの表面の温度・湿度を制御する構成が提案されていた。
また、特許文献2では、非画像形成時に放電生成物除去用の部材を感光体ドラムに当接させて放電生成物を除去する構成が提案されていた。
更に、特許文献3では、感光体ドラムに清掃部材が設けられた構成において、非画像形成時に感光体ドラムを空回しするように制御して、感光体ドラム上の付着物を除去する構成が提案されていた。
特開2011-257708 特開平07-028366 特開2011-145486
しかしながら、特許文献1または特許文献2の構成では、ヒーター、ファンまたは放電生成物除去用の特別な部材(構成)を設ける必要があり、装置の大型化やコストの増加などが課題となる。一方、特許文献3の構成では、感光体ドラムの表面を清掃するための専用時間(プロセス)を設ける必要があり、ダウンタイムが増加するという課題がある。特に、感光体ドラムに清掃部材を設けない構成(例えば、クリーナーレス方式)の場合には、放電生成物が除去されにくい。
本発明は、上記の課題を鑑みて、清掃部材を別途設けることなく、ダウンタイムの増加も抑制でき、像担持体の表面における放電生成物の付着を軽減できるプロセスカートリッジおよび画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明のプロセスカートリッジは、
現像剤を担持する現像剤担持体と、
前記現像剤担持体に担持される現像剤の厚みを規制する規制部材と、
前記現像剤担持体と接触可能なように構成され、前記現像剤からなる現像剤像を担持する像担持体と、
を有するプロセスカートリッジであって、
前記規制部材に印加される第1の電圧と、前記現像剤担持体に印加される第2の電圧と、を制御する制御部を有し、
前記現像剤担持体は、表面において、導電性を有する導電部および前記導電部よりも電気抵抗の高い誘電部を備え、
前記現像剤担持体の前記像担持体と接触する接触部における表面と、前記像担持体の前記接触部における表面とは、互いに異なる線速度で移動するように、前記現像剤担持体および前記像担持体が回転駆動され、
前記接触部において、前記現像剤像が前記像担持体から転写された後の前記像担持体上に残留した現像剤は、前記現像剤担持体によって回収され
前記制御部は、前記規制部材に印加される前記第1の電圧から前記現像剤担持体に印加される前記第2の電圧を差し引いた電位差を、現像剤の正規帯電極性と同極性であって且つ前記現像剤担持体に担持された現像剤からの前記誘電部の露出に寄与する大きさになるように制御する、ことを特徴とする。
また、本発明に係る画像形成装置は、前記プロセスカートリッジと、前記像担持体に担持された現像剤像を記録媒体へ転写する転写部材と、を有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、清掃部材を別途設けることなく、ダウンタイムの増加も抑制でき、像担持体の表面における放電生成物の付着を軽減できる。
(a)本発明の実施例に係るプロセスカートリッジの現像ローラの断面概念図;(b)現像ローラの表面における平面拡大概念 本発明の実施例に係るプロセスカートリッジが使用される画像形成装置の断面概念図 本発明の実施例に係るプロセスカートリッジが使用される画像形成装置の制御部の構成図 本発明の実施例に係るプロセスカートリッジの現像ユニットの概念図 本発明の実施例に係るプロセスカートリッジの現像ブレードの概念図 本発明の実施例に係るプロセスカートリッジの現像ローラの表面に働く微小電界の概念図 (a)、(b)本発明の実施例に係るプロセスカートリッジの現像ローラ表面におけるグラディエント力の作用を示す概念図 本発明の実施例に係るプロセスカートリッジの現像ローラの表面上にトナーが付着された様子を示す概念図 本発明の比較例に係るプロセスカートリッジの現像ローラの断面図 本発明の比較例に係るプロセスカートリッジの現像ローラの表面上にトナーが付着された様子を示す図
本発明は、プロセスカートリッジ、または、画像形成装置のいずれかの形態としても実施可能である。
以下、本発明に係るプロセスカートリッジが使用される電子写真画像形成装置を図面に則して説明する。なお、以下に説明する実施例は、例示的に本発明を説明するものであって、以下に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置関係などは、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれに限定するものではない。
ここで、電子写真画像形成装置とは、電子写真画像形成方式を用いて記録媒体に画像を形成するものである。そして、電子写真画像形成装置の例としては、例えば、電子写真複写機、電子写真プリンター(例えば、レーザービームプリンター、LEDプリンター等)、ファクシミリ装置及びワードプロセッサ等が含まれる。
また、プロセスカートリッジとは、帯電手段、現像手段またはクリーニング手段と電子写真感光体ドラムとを一体的にカートリッジ化し、このカートリッジを電子写真画像形成装置の本体に対して着脱可能とするものである。また、帯電手段、現像手段、クリーニング手段の少なくとも1つと電子写真感光体ドラムとを一体的にカートリッジ化して電子写真画像形成装置の本体に着脱可能とするものである。更に、少なくとも現像手段と電子写真感光体ドラムとを一体的にカートリッジ化して電子写真画像形成装置の本体に着脱可能とするものである。
<画像形成装置>
まず、本発明の実施例(以下、本実施例と称する)に係る電子写真画像形成装置(以下、画像形成装置)の(1)全体構成、(2)各制御部の構成、および、(3)画像形成プロセスについて、図2および図3を用いて説明する。
なお、図2は、本実施例に係るプロセスカートリッジが使用される画像形成装置の断面概念図である。図3は、本発明の実施例に係るプロセスカートリッジが使用される画像形成装置の制御部の構成図である。
(1)全体構成
図2に示すように、本実施例では、画像形成装置100は、インライン方式、中間転写方式を採用したフルカラーレーザープリンタである。画像形成装置100は、画像情報にしたがって、記録材P(例えば、記録用紙、プラスチックシート)にフルカラー画像を形成することができる。画像情報は、画像読み取り装置、或いは、画像形成装置100に通信可能に接続されたパーソナルコンピュータ等のホスト機器から、画像形成装置100に入力される。
画像形成装置100は、複数の画像形成部として、それぞれイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色の画像を形成するための第1、第2、第3、第4のプロセスカートリッジSa、Sb、Sc、Sdを有する。本実施例では、第1~第4のプロセスカートリッジSa、Sb、Sc、Sdは、鉛直方向と交差する方向に一列に配置されている。
なお、本実施例では、第1~第4のプロセスカートリッジSa、Sb、Sc、Sdの構成及び動作は、形成する画像の色が異なることを除いて実質的に同じである。したがって、以下、特に区別を要しない場合は、いずれかの色用に設けられた要素であることを表すために符号に与えた添え字a、b、c、dは省略して、総括的に説明する。
本実施例では、画像形成装置100は、複数の像担持体として、鉛直方向と交差する方向に並設された4個のドラム型の電子写真感光体、すなわち、感光体ドラム1(1a、1b、1c、1d)を有する。感光体ドラム1は、図示しない駆動手段(駆動源)により回転駆動される。
感光体ドラム1の周囲には、帯電ローラ2(2a、2b、2c、2d)、スキャナユニット(露光装置)3(3a、3b、3c、3d)、現像ユニット(現像装置)4(4a、4b、4c、4d)が配置されている。
帯電ローラ2は、感光体ドラム1の表面を均一に帯電する帯電手段である。またスキャナユニット3は、パーソナルコンピュータ等のホスト機器から入力された画像情報からCPU(不図示)で演算された出力に基づき、レーザーを照射して感光体ドラム1上に静電像(静電潜像)を形成する露光手段である。
現像ユニット4は、静電像を現像剤(以下、トナーT)像として現像する現像手段である。
そして、感光体ドラム1と、感光体ドラム1に作用するプロセス手段としての帯電ローラ2と、現像ユニット4とは一体化され、プロセスカートリッジSを形成している。プロセスカートリッジSは、画像形成装置100に設けられた装着ガイド、位置決め部材などの装着手段を介して、画像形成装置100に着脱可能となっている。
また、4個の感光体ドラム1に対向して、感光体ドラム1上のトナー像を記録材Pに転写するための中間転写体としての中間転写ベルト10が配置されている。無端状のベルトで形成された中間転写ベルト10は、すべての感光体ドラム1に当接し、図示矢印R3方向(時計方向)に循環移動(回転)する。中間転写ベルト10は、複数の支持部材として、二次転写対向ローラ13、駆動ローラ11、テンションローラ12に掛け渡されている。
中間転写ベルト10の内周面側には、各感光体ドラム1に対向するように、一次転写手段としての4個の一次転写ローラ14(14a、14b、14c、14d)が並設されている。一次転写ローラ14は、中間転写ベルト10を感光体ドラム1に向けて押圧し、中間転写ベルト10と感光体ドラム1とが当接する一次転写部を形成する。
また、中間転写ベルト10の外周面側において二次転写対向ローラ13に対向する位置には、二次転写手段としての二次転写ローラ20が配置されている。二次転写ローラ20は、中間転写ベルト10を介して二次転写対向ローラ13に圧接し、中間転写ベルト10と二次転写ローラ13とが当接する二次転写部を形成する。
トナー像が転写された記録材Pは、定着手段としての定着装置30に搬送される。定着装置30において記録材Pに熱及び圧力を加えられることで、記録材Pにトナー像が定着される。
なお、画像形成装置100は、所望の一つの画像形成部のみを用いて、又は、幾つか(全てではない)の画像形成部のみを用いて、単色又は、マルチカラーの画像を形成することもできるようになっている。
本実施例において画像形成装置100は、プロセススピード148.2mm/sec、A4サイズ紙対応のプリンターである。
(2)各制御部の構成
以下、図3を参照して、画像形成装置全体の制御を行うコントローラ200を含む各制御部の構成について説明する。
コントローラ200は、図3に示すように、CPU回路部150、ROM151およびRAM152を内蔵する。CPU回路部150はROM151に格納されている制御プログラムに応じて、一次転写制御部201、二次転写制御部202、現像制御部203、露光制御部204、帯電制御部205を統括的に制御する。
環境テーブルや紙厚さ対応テーブルはROM151に格納されておりCPUが呼び出して反映される。RAM152は、制御データを一時的に保持し、また制御に伴う演算処理の作業領域として用いられる。一次転写制御部201、二次転写制御部202は、それぞれ一次転写電源15と二次転写電源21を制御し、不図示の電流検出回路が検出する電流値に基づいて一次転写電源15と二次転写電源21から出力する電圧を制御している。
コントローラは、ホストコンピュータ(不図示)から画像情報と印字命令を受信すると、各制御部(一次転写制御部201、二次転写制御部202、現像制御部203、露光制御部204、帯電制御部205)を制御して印字動作に必要な画像形成動作を実行する。
(3)画像形成プロセス
以下、本実施例の画像形成装置の画像形成プロセスについて説明する。
画像形成時には、まず感光体ドラム1の表面が帯電ローラ2によって一様に帯電される。
次に、ホスト機器から入力された画像情報からCPUで演算された出力に基づいてスキャナユニット3から発せられたレーザー光で帯電した感光体ドラム1の表面を走査露光し、感光体ドラム1上に画像情報に従った静電像が形成される。
次に、感光体ドラム1上に形成された静電像は、現像ユニット4によってトナー像として現像される。
そして、一次転写ローラ14に、一次転写電圧印加手段としての一次転写電圧電源15(高圧電源)から、トナーの正規の帯電極性とは逆極性の電圧が印加される。これによって、感光体ドラム1上のトナー像が中間転写ベルト10上に一次転写される。なお、フルカラー画像の形成時には、上述のプロセスが、第1~第4のプロセスカートリッジSa、Sb、Sc、Sdにおいて順次に行われ、中間転写ベルト10上に各色のトナー像が次に重ね合わせて一次転写される。
その後、中間転写ベルト10の移動と同期が取られて記録材Pが二次転写部へと搬送される。
そして、二次転写ローラ20に、二次転写電圧印加手段としての二次転写電圧電源21(高圧電源)から、トナーの正規の帯電極性とは逆極性の電圧が印加される。これによって、中間転写ベルト10上の4色トナー像は、記録材Pを介して中間転写ベルト10に当接している二次転写ローラ20の作用によって、給送手段によって搬送された記録材P上に一括して二次転写される。
トナー像が転写された記録材Pは、定着手段としての定着装置30に搬送される。定着装置30において、記録材Pは、熱及び圧力を加えられることで、転写されたトナー像が定着され、画像形成装置100から排出される。
なお、現像ユニット4は、トナーTの現像量をコントロールするために、現像剤担持体としての現像ローラ22(後述)を感光体ドラム1に対して(線)速度差を持たせながら接触させて反転現像を行うものとした。すなわち、感光体ドラム1の帯電極性と同極性(本実施例では負極性)に帯電したトナーを、感光体ドラム1上の露光により電荷が減衰した部分(画像部、露光部)に付着させることで静電像を現像する現像ユニット4を用いた。
また、一次転写工程で残留した感光体ドラム1の表面の転写残トナーは、後述の現像ローラ22によって回収され、再利用される。なお、一次転写工程で残留した感光体ドラム1の表面の転写残トナーは帯電ローラ2を通過するときに、正規の帯電極性に帯電される。その後、帯電ローラ2によって形成される感光体ドラム1の電位と、現像ローラ22に直流電圧を印加されて形成される現像ローラ22の電位の電位差による電界によって、転写残トナーは現像ローラ22に回収され、再利用される。
<プロセスカートリッジの構成>
以下、本実施例の画像形成装置100に装着されるプロセスカートリッジSの構成について説明する。
本実施例では、各色用のプロセスカートリッジSは、図示しない識別部等を除き、同一形状を有する。そして、各色用のプロセスカートリッジSの現像ユニット4内には、それぞれイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色のトナーが収容されている。
なお、本実施例では、現像ユニット4は、現像剤として非磁性一成分トナーを用いた。
プロセスカートリッジSは、感光体ドラム1、回転可能な帯電ローラ2を備えた感光体ユニットと、回転可能な現像ローラ22等を備えた現像ユニット(現像装置)4と、を一体化して構成される。
感光体ドラム1は、図示しない軸受を介して回転可能に支持されている。感光体ドラム1は、図示しない駆動手段(駆動源)の駆動力が感光体ユニットに伝達されることで、画像形成動作に応じて図示矢印R1方向(反時計方向)に回転駆動される。帯電ローラ2は、導電性ゴムのローラ部が感光体ドラム1に加圧接触し、感光体ドラム1に従動回転される。
一方、現像ユニット4は、図4に示すように、トナーTを担持する現像ローラ22と、現像ブレード23(規制部材)と、これらを固定する現像枠体24と、を有している。
現像枠体24は、現像ローラ22が配置された現像室24aと、現像室24aから外界へつながる現像開口部を封止する吹き出し防止シート24bと、を備えている。
現像ブレード23の一端(固定端)は、現像枠体24に固定された固定部材25に固定され、現像ブレード23の他端(自由端)が現像ローラ22に当接され、現像ローラ22上のトナーコート量規制と電荷付与が可能なように構成されている。
現像ローラ22は、現像開口部に配置され、感光体ドラム1に当接可能なように構成されている。また、現像ローラ22は、図4に示す矢印の方向R4へ回転駆動される。一方、感光体ドラム1は方向R1へ回転駆動される。
なお、図4に示すように、本実施例では、現像ローラ22と感光体ドラム1は、対向部(接触部C1)において各々の表面(C2、C3)が同方向(本実施例では重力方向上方からから下方に向かう方向)に移動するように、それぞれ回転駆動される。また、所定の直流電圧が現像バイアスとして現像ローラ22に印加される。そして、摩擦帯電でマイナス(負極性)に帯電したトナーによって、感光体ドラム1と接触する現像部(接触部)において、感光体ドラム上の静電潜像が顕像化され、トナー像(現像剤像)が感光体ドラムに形成される。
現像ブレード23は、図4に示すように、現像ローラ22の回転方向に対してカウンター方向を向くようにして当接しており、トナーのコート量の規制及び電荷付与を行っている。即ち、現像ブレード23は、その自由端が現像ローラ22の回転方向の上流側に延びるように、現像ローラの表面に当接している。
また、本実施例では、図5に示すように、現像ブレード23として、厚さ50~120μmの板バネ状のSUS板の支持部材23aを用いることができる。支持部材23aのバネ弾性を利用して、ブレード部23bの表面を現像ローラ22に当接させることができる。ブレード部23bは、短手方向において、一端(自由端)にブレード部23bが形成され、他端(固定端)が現像枠体24に固定された固定部材25に接続され、支持された構成とされている。
なお、現像ブレード23は前述した構成に限定されず、支持部材23aとしてSUS板を用いる他、例えば、リン青銅やアルミニウム等の金属薄板を用いても良い。また、ブレード部23bは、支持部23aの表面に、ポリアミドエラストマー、ウレタンゴム、または、ウレタン樹脂等の導電性樹脂からなる薄膜を被覆して構成されてもよい。あるいは、支持部材23aそのものを現像ブレード23として現像ローラ22に当接させてもよい。
(1)現像ローラの構成および製作方法
以下、図1(a)、(b)を用いて、本実施例の最大の特徴である現像ローラ22について詳細に説明する。なお、図1(a)は、本実施例に係るプロセスカートリッジの現像ローラの断面概念図である。また、図(b)は、現像ローラの表面における平面拡大概念図である。
図1(a)に示すように、現像ローラ22は、金属芯金22aの表面に、基層22b、表層22c、誘電部22dがこの順に積層して形成される。
なお、本実施例では、基層22bは、表1に記載のシリコーンゴム組成物からなり、表層22cは表2に記載のウレタンからなる。そして、誘電部22dは表3に記載の材料からなる絶縁性の塗料が表層22cに塗布されて形成される。表層22cおよび基層22bは、金属芯金22aを介して、アースに接地されている。
以下、本実施例における現像ローラ22の製法、材料および寸法などについて説明する。
(1-1)金属芯金22a
金属芯金22aは、外径6mm、長さ259.9mmのSUS304製の芯金に、プライマー(商品名:DY35-051、東レ・ダウコーニング株式会社製)を塗布し、温度150℃で20分間加熱して製作される。
(1-2)基層22b
基層22bは、(1-1)で製作された金属芯金22aに積層して形成される。具体的には、金属芯金22aを内径10.0mmの円筒状金型内に挿入し、金型の円筒に同心となるように金属芯金を設置する。
そして、基層22bの形成材料として、表1に示す材料を混合機(商品名:トリミックスTX-15井上製作所社製)で混合した混合物を、温度120℃に加熱された金型内に注入する。その後、金型を温度120℃にて10分間加熱して成型し、そして室温まで冷却後、金型から脱型する。このように、金属芯金22aの外周には、厚み2.00mmの基層22bが形成される。
Figure 0007150517000001
(1-3)表層22c
表層22cは、基層22bの表面に表層22cを形成する塗料を塗布することにより形成される。なお、表層22cを形成する塗料は、以下の方法にて製作される。
即ち、表2に示す複数の材料を秤量して撹拌混合させ、混合物の固形分濃度が28質量%になるように混合物をメチルエチルケトン(Aldrich社製)に投入して攪拌する。そして、さらにビーズミル(アシザワファインテック社製)にて均一に分散して、塗料を製作する。
基層22bが形成されたローラを、「オーバーフロー式」循環塗工機にて、上記の塗料の液中に浸漬して、塗工する。これにより、基層22bの表面に、膜厚が15μmの層が塗布(形成)される。さらに、塗布されたローラを、温度130℃にて90分間加熱して、塗膜を乾燥・硬化させれば、基層22bに弾性を有する表層22cが形成(積層)される。
Figure 0007150517000002
(1-4)誘電部22d
誘電部22dは、表層22cの表面に、誘電部を形成する塗料を塗布することにより形成される。なお、誘電部を形成する塗料は、以下の方法にて製作される。
即ち、表3に示す複数の材料を秤量して撹拌混合させ、混合物の固形分濃度が3質量%になるように混合物をメチルエチルケトン(Aldrich社製)に投入して攪拌し、塗料を製作する。次に、スプレー塗工にて塗料の塗着量が0.040gとなるよう、表層22cが形成されたローラの表面に上記塗料を塗布する。さらに、温度140℃にて80分間加熱して、塗膜を乾燥・硬化させれば、表層22cの表面に誘電部22dを有する現像ローラ22の製作が完了する。
Figure 0007150517000003
(2)現像ローラ上のトナーが受ける力の作用
(2-1)グラディエント力の作用
上記の製法で製作された現像ローラ22は、図1(B)に示す通り、表面に誘電部22dと表層22c(基層22bと金属芯金22aを介して接地されている)とが不規則に混在して分布するように構成されている。現像ローラ22の表面に、現像ブレード23が直接に摺擦、または、トナーTを介して摺擦されることにより、現像ローラ22の誘電部22dに所定の電荷が付与される(帯電される)。
電荷が付与された誘電部22d上に電界が発生する。特に、誘電部22dと芯金22aを介して接地された表層22cとの隣接部上には「微小閉電界E」が発生し、現像ローラ22の表面全体では、多数の微小閉電界Eが形成される。
例えば、トナーTを介した現像ブレード23の現像ローラ22への摺擦により誘電部22dに電荷を付与すると、図6に示すように誘電部22dから表層22cへ円弧状に伸びる微小閉電界Eが多数形成される。その結果、現像ローラ22上には現像室24a内の帯電したトナーTはもちろんのこと、無帯電、又は低帯電等の帯電量が不安定なトナーTも、現像ローラ22上の多数の微小閉電界Eの発生領域に搬送される。
なお、搬送された現像剤(トナー)Tは、電界によって生じる静電的な力、及び無帯電の現像剤の場合は微小閉電界Eによって生じる後述のグラディエント力(Gradient Force)を受けて、現像ローラ22面に吸引されて担持される。
ここで、図7(a、b)を用いて、「グラディエント力」について詳細に説明する。
図7(a)、(b)は、本実施例に係るプロセスカートリッジの現像ローラ表面におけるグラディエント力の作用を示す概念図である。特に、図7は、電界中の誘電体粒子(現像剤粒子)の運動を示している。
図7(a)に示すように、帯電した誘電体粒子(トナー粒子)71が外部から与えられた電界の中にあるときは、その帯電電荷の極性の正、負に応じて、電界の方向と同一方向、又は逆方向の静電的な力をうける。
また、図7(b)に示すように、場所的に電界の強さが異なる不平等電界が形成されている場合には、そこにある無帯電誘電体粒子(トナー粒子)72は、例え電荷を持たなくとも電界の強い領域(図7(b)では右の方向)に向かう力をうける。この力は、「グラディエント力」である。
このように、静電的な力もしくは「グラディエント力」によって現像ローラ上に担持されたトナーTは、規制部材である現像ブレード23によって所定の厚さに規制される。この際、現像ブレード23がトナーTを介して現像ローラの表面を摺擦(摩擦帯電)より、それぞれの部材の構成材料の摩擦帯電系列上の位置に応じた極性で、現像動作に必要な所定の帯電量にトナーTを帯電させることができる。即ち、現像ローラ22上には所定の付着量及び帯電量の多層のトナーTを安定して担持することができる。
なお、グラディエント力は、電界の強い領域(すなわち表層22cと誘電部22dの境界)に近いほど、表層22cと誘電部22dの間の電位差が大きくなり、微小閉電界Eも強くなる。したがって、搬送されるトナーTも表層22cと誘電部22dの境界付近に強く(多く)搬送され、誘電部22dの直上などの部位は、比較的に弱く(少なく)搬送される。このため、図8に示すように、現像ローラ22は、誘電部22dの表面にはトナーTが付着されていない(露出した)領域(露出部22d1)が形成される。
したがって、通常の画像形成プロセス(画像形成動作)による現像ローラの回転動作のみで、「露出部」が感光体ドラム1を常に摺擦することができる。その結果、感光体ドラム1上に付着した放電生成物などの異物が現像ローラ22のこの「露出部」によって掻き取られることができる。即ち、感光体ドラム上の放電生成物の付着や蓄積を抑制することができ、放電生成物に起因する画像不良を軽減することもできる。
以上説明したとおり、グラディエント力の作用により、現像ローラ22上の誘電部22dが露出しやすくなるため、感光体ドラム1上に付着した放電生成物が現像ローラ22の誘電部22dによって掻き取られやすくなる。これにより、放電生成物に起因した画像不良(画像流れ)などの問題も軽減される。
(2-2)グラディエント力+クーロン力の作用
誘電部22dに、現像ブレード23が直接、又はトナーTを介して摺擦されることによって、誘電部22dの帯電極性がトナーTの正規帯電極性と同極性になるように、誘電部または現像ブレードを構成することができる。
先述したように、放電生成物の掻き取り性の向上の観点では、誘電部22dをより露出した状態とすることが望ましい。したがって、誘電部22dとトナーTの帯電極性を同極性とした場合、「微小閉電界E」による「グラディエント力」による作用に加え、電荷の「クーロン力」(斥力)によって誘電部22d上のトナーTが誘電部22dから離れる傾向にある。したがって、グラディエント力とクーロン力の作用によって、より積極的に誘電部22dをトナーTから露出させる(露出部22d1を形成する)ことができる。
その結果、現像ローラ22上の誘電部22dをより多く露出することが可能になり、放電生成物の掻き取り能力が強まる。よって、放電生成物に起因する画像不良(画像流れ)をより効果的に抑制できる。
なお、本実施例では、誘電部22dに対して現像ブレード23が直接、又はトナーTを介して摺擦されることによって、誘電部22dの帯電極性は、「負極性」となり、トナーTの正規帯電極性(負極性)と同極性である。
一方、誘電部22dに対して、現像ブレード23が直接、又はトナーTを介して摺擦によって、誘電部22dの帯電極性を「正極性」にすることもできる。この場合、以下のように現像ローラ22を製作することができる。
現像ローラ22に表層22cが形成された弾性層ローラは、前述の製法で得ることができる。次に、スチレンアクリル系樹脂(商品名:ヒタロイドHA-1470、日立化成工業社製)の固形分濃度が3質量%になるように混合物をメチルエチルケトン(Aldrich社製)に投入して攪拌し、塗料を製作する。
次に、スプレー塗工にて塗料の塗着量が0.040gとなるよう、表層22cが形成されたローラの表面に上記塗料を塗布する。さらに、温度90℃にて60分間加熱して、塗膜を乾燥させれば、現像ブレードなどとの摺擦時に表層22cの表面に「正極性」になれる誘電部22dを有する現像ローラ22の製作が完了する。
(3)グラディエント力をより高めるための構成
次に、グラディエント力(電界強度)をより高められる構成について説明する。
(3-1)トナーの形状(平均円形度)
前述したとおり、現像ローラ22上の誘電部22dは、現像ブレード23との摺擦、あるいはトナーTを介した摺擦によって所定の電極性(電荷)が付与される。なお、現像ブレード23と、現像ローラ22上の誘電部22dとの間において、トナーTが転がりやすいほど電荷の授受(帯電)が促進される。
具体的には、トナーTが真球に近いほど誘電部22dに対する帯電性が良くなる。本実施例では、トナーTの平均円形度が0.97以上の場合、トナーTがより転がりやすくなり、誘電部22dへの電荷の付与能(帯電性)が高まることが確認できた。
一方、誘電部がより帯電された場合、誘電部22dと表層22cの境界部において、より強く「微小閉電界E」を形成することができる。これにより、より多くの誘電部22dを露出させることが可能になる。
従って、露出部による放電生成物の掻き取り性が向上し、画像流れなどの放電生成物の付着に起因する画像不良を効果的に抑制することができる。
トナーの平均円形度の測定方法については説明する。
トナーの平均円形度は、フロー式粒子像分析装置「FPIA-3000型」(シスメックス(株)製)によって測定した。
具体的には、イオン交換水20mLに、分散剤として界面活性剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を適量加えた後、測定試料0.02gを加える。混合物を発振周波数50kHz、電気的出力150Wの卓上型の超音波洗浄器分散機(例えば「VS-150」((株)ヴェルヴォクリーア製など)を用いて2分間分散処理を行い、測定用の分散液とした。その際、分散液の温度が10℃以上40℃以下となる様に適宜冷却する。
標準対物レンズ(10倍)を搭載した前記フロー式粒子像分析装置を用い、シース液にはパーティクルシース「PSE-900A」(シスメックス(株)製)を用いて測定を行った。調製した分散液を前記フロー式粒子像分析装置に導入し、HPF測定モードで、トータルカウントモードにて3000個のトナー粒子を計測した。そして、粒子解析時の2値化閾値を85%とし、解析粒子径を円相当径2.00μm以上、200.00μm以下に限定し、トナー粒子の平均円形度を求めた。
測定にあたっては、測定開始前に標準ラテックス粒子(例えばDuke Scientific社製5200Aをイオン交換水で希釈)を用いて自動焦点調整を行う。その後、測定開始から2時間毎に焦点調整を実施する。
なお、本実施例では、シスメックス(株)による校正作業が行われたシスメックス(株)が発行する校正証明書の発行を受けたフロー式粒子像分析装置を用いた。解析粒子径を円相当径2.00μm以上、200.00μm以下に限定した以外は、校正証明を受けた時の測定及び解析条件で測定を行った。
フロー式粒子像分析装置「FPIA-3000型」(シスメックス(株)製)の測定原理は、流れている粒子を静止画像として撮像し、画像解析を行うというものである。試料チャンバーへ加えられた試料は、試料吸引シリンジによって、フラットシースフローセルに送り込まれる。
フラットシースフローに送り込まれた試料は、シース液に挟まれて扁平な流れを形成する。フラットシースフローセル内を通過する試料に対しては、1/60秒間隔でストロボ光が照射されており、流れている粒子を静止画像として撮影することが可能である。また、扁平な流れであるため、焦点の合った状態で撮像される。粒子像はCCDカメラで撮像され、撮像された画像は512×512の画像処理解像度(一画素あたり0.37×0.37μm)で画像処理され、各粒子像の輪郭抽出を行い、粒子像の投影面積や周囲長などが計測される。
次に、各粒子像の投影面積Sと周囲長Lを求める。上記面積Sと周囲長Lを用いて円相当径と円形度を求める。円相当径とは、粒子像の投影面積と同じ面積を持つ円の直径のことであり、円形度は、円相当径から求めた円の周囲長を粒子投影像の周囲長で割った値として定義され、次式で算出される。
円形度C=2×(π×S)0.5/L
粒子像が円形の時に円形度は1.000になり、粒子像の外周の凹凸程度が大きくなればなるほど円形度は小さい値になる。各粒子の円形度を算出後、円形度0.200~1.000の範囲を800分割し、測定粒子数を用いて平均円形度の算出を行っている。
(3-2)現像ブレードの構成および現像ブレード電圧
トナーの「平均円形度」を規定する方法以外では、現像ローラ22と現像ブレード23に電圧を印加し、両者間の電位差を調整する方法でも同様に「グラディエント力」(電界強度)をより高められる。
なお、現像ブレード23として、厚さ50~120μmの板バネ状のSUS板の支持部材23aを用いることができる。支持部材23aのバネ弾性を利用して、ブレード部23bの表面を現像ローラ22に当接させることができる。支持部23aの表面には、ポリアミドエラストマー、ウレタンゴムまたはウレタン樹脂等の導電性樹脂からなる薄膜を被覆してもよい。
あるいは、支持部材23aをそのまま現像ブレード23として現像ローラ22に当接させてもよい。その場合、支持部材23aとしてSUS板を用いる他、例えば、リン青銅やアルミニウム等の導電性の金属薄板を用いることができる。
本実施例では、現像ローラ22と感光体ドラム1の接触部C1において、互いの表面(C2、C3)が(線)速度差を持たせながら移動するように、現像ローラ22と感光体ドラム1が回転駆動される。
感光体ドラム1の帯電極性と同極性に帯電したトナーT(本実施例では負極性)が反転現像される。すなわち、現像ローラ22には、負極性の電圧が印加される。現像ブレード23にも、トナーTの正規帯電極(負極性)と同極性で、かつその絶対値が現像ローラ22に印加される電圧よりも大きい電圧が印加される。これにより、トナーTが摺擦され、摩擦帯電されるに加え、現像ブレード23側からの電荷注入により、より強く電荷が誘電部22dに付与される。
なお、「グラディエント力」は、誘電部22dと表層22c(接地されている)の電位差が大きいほど、より強く働くようになるため、トナーTが「グラディエント力」によって引き寄せたあと、現像ローラ22の誘電部22dの露出割合が多くなる。その結果、放電生成物の掻き取り性が向上し、画像流れなどの放電生成物の付着に起因する画像不良を効果的に抑制することができる。
なお、本実施例では、現像ローラ22の誘電部22dの帯電極性は負極性である。また、現像ローラ22に印加する電圧Vdcは-300v、現像ブレード23に印加する電圧Vbは-500でる。すなわち、現像ローラ22に印加する電圧Vdcと現像ブレード23に印加する電圧「Vb」の差分ΔV(=Vb-Vdc)=-200vである。
「ΔV」は、絶対値が大きいほど、「グラディエント力」を強める働きは大きくなるものの、「ΔV」の絶対値が500vを超えると、電荷注入に加え放電が開始する。このため、現像ローラ22には、画像形成に必要な電圧(電位)以上に電圧を印加しないことが望ましい。
また、前述した誘電部22dの帯電極性が、「正極性」の現像ローラ22の場合では、「ΔV」が正極性側に強くなるように現像ローラ22と現像ブレード23に電圧を印加すれば、同様に、「グラディエント力を高める」効果を得ることができる。
(4)放電生成物の掻き取り性を高めるための構成
次に、誘電部22dが露出したあとに、より効果的に放電生成物を掻き取る構成について説明する。
先述の通り、感光体ドラム1へ移動するトナーTの量(現像量)をコントロールするために、現像ローラ22が感光体ドラム1に対して接触部C1の表面移動速度(線速度)に差を持ちながら回転駆動される。現像ローラ22の表面(C2)移動速度は、接触部における感光体ドラム1の表面(C3)移動速度より速いほど、放電生成物の掻き取り性が高くなる。
例えば、現像ローラ22の回転速度(表面における線速度)が感光体ドラム1の回転速度(表面における線速度)よりも速い場合、一つの(単位的な)誘電部22dの島が掻き取り可能な掻き取り面積が大きくなるため、効率的に一つの誘電部22dの島全域を利用することができる。
逆に、現像ローラ22の表面移動速度が感光体ドラム1の表面移動速度よりも遅い場合は、回転方向に対して、一つの(単位的な)誘電部22dの島の一部のみで掻き取るようになる。このため、ある程度放電生成物を掻き取ると、放電生成物が誘電部のその一部のみに蓄積し、所望の掻き取り性能を維持しにくくなる。
以上説明したとおり、現像ローラ22の回転速度は、感光体ドラム1の回転速度に対してより速いと、放電生成物の掻き取り性が高く好ましく、画像流れなどの放電生成物の付着に起因する画像不良を効果的に抑制することができる。
一方、感光体ドラム1に対して、現像ローラ22の回転速度が速すぎる場合、若しくは、現像ローラ22の回転速度が感光体ドラム1の回転速度よりも速いものの、(線)速度差が小さ過ぎる場合では、所望の効果が得られにくい。
例えば、感光体ドラム1に対する現像ローラ22の回転速度が速すぎる場合、現像ローラ22と感光体ドラム1の接触部のトナー層厚が厚くなりすぎて、誘電部22dがトナーTで埋もれてしまい、掻き取り性が低下する。
また、(線)速度差が小さすぎると、所望の掻き取り性能を発揮しない場合がある。
発明者の検討によれば、現像ローラ22の回転速度が、感光体ドラム1の回転速度に対して(表面移動速度比)110~250%の範囲では、特に効果的に掻き取り性を発揮できることが確認できた。特に、鮮明な画像を形成するにあたっては、130~200%の範囲がより好ましい。本実施例では、周速比を140%とした。
上記構成以外にも、誘電部22dの回転方向と直交する方向の長さが、感光体ドラム1を帯電させるための帯電ローラ2の回転方向と直交する方向の長さよりも長いと、より効果的に放電生成物を掻き取ることができる。
なお、放電生成物は、帯電ローラ2と感光体ドラム1との接触部で発生する。したがって、帯電ローラ2の回転方向と直交する方向の長さよりも、掻き取り性を発揮する誘電部22dの回転方向と直交する方向の長さが長ければ、放電生成物の発生領域すべてを誘電部22dで掻き取ることができる。その結果、画像の端部などで放電生成物に起因する画像流れなどの画像不良の発生をより抑制することができる。
本実施例では、帯電ローラ2と誘電部22dの、回転方向と直交する方向(長手方向)の長さは、帯電ローラ2が227.6mmであり、誘電部22dが234.2mmである。
<評価実験>
本実施例の効果を確認するため、本実施例および比較例の構成においてそれぞれ評価実験を行った。
なお、画像形成装置100にHP Color LaserJet Pro M452dw(HP社、商品名)を用い、記録材PにCS-680(キヤノンマーケティングジャパン、商品名)を用いて評価を行った。低温低湿環境(15℃/10%)常温常湿環境(23℃/50%)、高温高湿環境(30℃/80%)において2枚間欠で20000枚の通紙試験を行った。本実施例および比較例の構成において、それぞれ画像流れによる画像不良の発生有無について検証を行った。
(1)比較例の構成
本実施例の比較例は、図9に示す現像ローラ22を用いた。
比較例の現像ローラ22は、金属芯金22aに、前述した表1に記載のシリコーンゴム組成物からなる基層22b、前述した表2に記載のウレタンからなる表層22cが、順次積層された構成を有する。なお、比較例では、基層22bは、金属芯金22aを介して、アースに接地されている。比較例のその他の構成は本実施例と同様である。
(2)本実施例と比較例の評価結果の対比
表4は、本実施例および比較例それぞれの評価結果を対比したものである。
表4中の「○」は、20000枚通紙まで、放電生成物に起因する画像不良(画像流れ)の発生が確認されないことを表す。一方、「×」は、放電生成物に起因する画像不良(画像流れ)の発生が確認されたことを表す。なお、括弧内の数字は、画像不良の発生が認められた際に、実際に通紙した枚数を示している。
Figure 0007150517000004
表4から理解できるように、本実施例の構成では、「低温低湿」から「高温高湿」のいずれの環境において、20000枚の通紙を行っても、放電生成物に起因する画像不良(画像流れ)の発生が認められなかった。これは、図8に示すように、「グラディエント力」が作用した結果、誘電部22dの少なくとも一部が露出されたことによって、感光体ドラム上の「放電生成物」が効果的に掻き取れた為と考えられる。
一方、比較例の構成では、現像ローラ22上に「グラディエント力」が働かないため、図10のように露出部が形成されにくい。その結果、温度、湿度の上昇に連れ、感光体ドラム1上の「放電生成物」を掻き取れにくくなり、「放電生成物」による画像不良(画像流れ)の発生が早まると考えられる。具体的には、比較例では、低温低湿環境では、20000枚まで画像不良が見られないものの、常温常湿環境では5000枚目程度、高温高湿環境では1000枚目程度で画像不良が確認された。
このように、本実施例の構成を以下のように纏めることができる。
即ち、本実施例のプロセスカートリッジは、現像剤を担持する回転可能な現像剤担持体を有する。現像剤担持体は、表面において、導電性を有する導電部および導電部よりも電気抵抗の高い誘電部を備える。また、本実施例のプロセスカートリッジは、現像剤担持体に担持される現像剤の厚みを規制する規制部材と、現像剤担持体と接触可能なように構成され、現像剤からなる現像剤像を担持する回転可能な像担持体と、を有する。
また、本実施例では、現像剤担持体の像担持体と接触する接触部C1における表面C2と、像担持体の接触部C1における表面C3とは、互いに異なる(線)速度で移動するように、現像剤担持体および像担持体が回転駆動される。接触部において、現像剤像が像担持体から転写された後の像担持体上に残留した現像剤が現像剤担持体によって回収される。
上記の構成によれば、誘電部に積極的に「露出部」を形成することができ、像担持体上の付着物を効果的に除去することができる。
なお、本実施例では、現像剤担持体は、誘電部または導電部の一方が海部を形成し、他方が海部に分散された島部を形成する海島構造を有することができる。特に、導電部は、海部を形成し、誘電部は、島部を形成することが好ましい。これにより、より効率的に像担持体上の付着物を除去することができる。
また、本実施例では、誘電部は、規制部材との摩擦によって現像剤担持体の表面に帯電された現像剤の正規帯電極性とは、同極性となるように構成されることができる。これにより、より効果的に像担持体上の付着物を除去することができる。
また、本実施例では、現像剤の正規帯電極性を負極性とすることができる。
また、本実施例では、接触部において、像担持体の表面の移動速度よりも、現像剤担持体の表面の移動速度が速くなることが好ましい。特に、接触において、像担持体の表面の移動速度に対する、現像剤担持体の表面の移動速度の比は、110%~250%であることが好ましい。これにより、より効果的に像担持体上の付着物を除去することができる。
また、本実施例では、現像剤の平均円形度が0.97以上であることが好ましい。これにより、より効果的に誘電部を帯電させることができ、結果的により像担持体上の付着物を除去できる。
また、本実施例のプロセスカートリッジは、現像剤担持体を回転可能なように支持する枠体を有することができる。また、規制部材は、枠体に固定される固定端と、固定端とは反対側にある自由端とを有し、規制部材の自由端が現像剤担持体に当接されることができる。なお、規制部材の自由端は、固定端から、現像剤担持体の回転方向の上流側に向けて延びるように配置されることが好ましい。これにより、より効果的に誘電部を帯電させることができ、結果的により像担持体上の付着物を除去できる。
また、本実施例では、規制部材は、電圧が印加可能なように構成されてもよい。特に、現像動作を行うために現像剤担持体に印加される電圧の極性と、規制部材に印加される電圧の極性は、共に現像剤の正規帯電極性と同一極性であることが好ましい。これにより、より効果的に誘電部の帯電性を向上することができる。
また、本実施例のプロセスカートリッジは、像担持体を帯電させる帯電部材をさらに有することができる。また、現像剤担持体の回転軸方向における、誘電部が設けられた領域の幅が、像担持体の回転軸方向における帯電部材の幅よりも大きく設定することができる。これにより、放電生成物が形成される領域が誘電部の領域内に配置されるため、より効率的に付着物を除去できる。
また、本実施例のプロセスカートリッジは、画像形成装置の装置本体に対して着脱可能である。
また、本実施例の画像形成装置は、前述したプロセスカートリッジと、像担持体に担持された現像剤像を記録媒体へ転写する転写部材と、を有する。
本実施例によると、感光体ドラム清掃部材を別途設けることなく、さらに装置の大型化、コストアップ、ダウンタイムの増加なども招くことなく、帯電工程で発生する感光体ドラム上の放電生成物(オゾンやNOx)を容易に除去することができる。即ち、現像剤担持体の表面にある誘電部の一部(露出部)を積極的に露出させることによって、露出部によって感光体ドラム上の「放電生成物」が効果的に除去され、画像不良の発生を有効に抑制することができる。
100 画像形成装置
S(a~d) プロセスカートリッジ
1(a~d) 感光体ドラム(像担持体)
22 現像ローラ(現像剤担持体)
22c 導電部
22d 誘電部
23 現像ブレード(規制部材)
T トナー(現像剤)

Claims (13)

  1. 現像剤を担持する現像剤担持体と、
    前記現像剤担持体に担持される現像剤の厚みを規制する規制部材と、
    前記現像剤担持体と接触可能なように構成され、前記現像剤からなる現像剤像を担持する像担持体と、
    を有するプロセスカートリッジであって、
    前記規制部材に印加される第1の電圧と、前記現像剤担持体に印加される第2の電圧と、を制御する制御部を有し、
    前記現像剤担持体は、表面において、導電性を有する導電部および前記導電部よりも電気抵抗の高い誘電部を備え、
    前記現像剤担持体の前記像担持体と接触する接触部における表面と、前記像担持体の前記接触部における表面とは、互いに異なる線速度で移動するように、前記現像剤担持体および前記像担持体が回転駆動され、
    前記接触部において、前記現像剤像が前記像担持体から転写された後の前記像担持体上に残留した現像剤は、前記現像剤担持体によって回収され
    前記制御部は、前記規制部材に印加される前記第1の電圧から前記現像剤担持体に印加される前記第2の電圧を差し引いた電位差を、現像剤の正規帯電極性と同極性であって且つ前記現像剤担持体に担持された現像剤からの前記誘電部の露出に寄与する大きさになるように制御する、ことを特徴とするプロセスカートリッジ。
  2. 前記現像剤担持体は、前記誘電部または前記導電部の一方が海部を形成し、他方が前記海部に分散された島部を形成する海島構造を有する、ことを特徴とする請求項1に記載のプロセスカートリッジ。
  3. 前記導電部は、前記海部を形成し、前記誘電部は、前記島部を形成する、ことを特徴とする請求項2に記載のプロセスカートリッジ。
  4. 前記誘電部は、
    前記規制部材との摩擦によって前記現像剤担持体の表面にて帯電された現像剤の正規の帯電極性とは、同極性となるように構成される、ことを特徴とする請求項3に記載のプロセスカートリッジ。
  5. 前記現像剤の正規の帯電極性が負極性である、ことを特徴とする請求項4に記載のプロセスカートリッジ。
  6. 前記接触部において、前記像担持体の表面の線速度よりも、前記現像剤担持体の表面の線速度が速い、ことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載のプロセスカートリッジ。
  7. 前記接触において、前記像担持体の表面の線速度に対する、前記現像剤担持体の表面の線速度の比は、110%~250%である、ことを特徴とする請求項6に記載のプロセスカートリッジ。
  8. 前記現像剤の平均円形度が0.97以上である、ことを特徴とする請求項1~7のいずれか1項に記載のプロセスカートリッジ。
  9. 前記現像剤担持体を回転可能なように支持する枠体を有し、
    前記規制部材は、前記枠体に固定される固定端と、前記固定端側とは反対側にある自由端とを有し、
    前記規制部材の前記自由端が前記現像剤担持体に当接される、ことを特徴とする請求項1~8のいずれか1項に記載のプロセスカートリッジ。
  10. 前記規制部材の自由端は、前記固定端から、前記現像剤担持体の回転方向の上流側に向けて延びるように配置される、請求項9に記載のプロセスカートリッジ。
  11. 前記像担持体を帯電させる帯電部材をさらに有し、
    前記現像剤担持体の回転軸方向における、前記誘電部が設けられた領域の幅が、前記像担持体の回転軸方向における前記帯電部材の幅よりも大きい、ことを特徴とする請求項1~10のいずれか1項に記載のプロセスカートリッジ。
  12. 前記プロセスカートリッジは、画像形成装置の装置本体に対して着脱可能である、ことを特徴とする請求項1~11のいずれ1項に記載のプロセスカートリッジ。
  13. 請求項1~12のいずれか1項に記載のプロセスカートリッジと、
    前記像担持体に担持された現像剤像を記録媒体へ転写する転写部材と、
    を有する、ことを特徴とする画像形成装置。
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