JPH0862930A

JPH0862930A - 表面に電荷を蓄えるための装置及び方法

Info

Publication number: JPH0862930A
Application number: JP7195613A
Authority: JP
Inventors: Snering Christopher; クリストファー・スネリング
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 1996-03-08
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: EP0695975A1; DE69513341T2; EP0695975B1; JP3715350B2; DE69513341D1; US5610795A

Abstract

(57)【要約】【課題】電子写真プリンタの設計、製造、及び、利用
において、印刷システムにおける伝統的な高電圧源の費
用及び重量を排除する、単純で、比較的安価で、正確な
方法を提供する。【解決手段】表面に隣接して配置され、圧電外部層が
変形するのに応答して、表面に電荷を蓄える、圧電外部
層を備えたエンドレス・ウェブ１１０から構成される、
表面に電荷を蓄えるための装置。この装置には、複数の
ローラ１１２、１１４が設けられており、前記エンドレ
ス・ウェブ１１０が、前記複数のローラ１１２、１１４
に引っ張られて、前記圧電外部層が変形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、主とし
て、ゼログラフィ、または、乾式コピーの再生システム
に用いられる誘電体材料に帯電する装置に関するもので
あり、とりわけ、表面電荷を発生して、光伝導性ベル
ト、ウェブ、または、ドラムのような、伝導性バッキン
グを備えた誘電媒体に蓄えるための帯電部材に関するも
のである。

【０００２】静電複写式再生装置の場合、光イメージの
形成前に、帯電電位で適合する光伝導性または再生表面
に帯電する必要がある。Carlsonの発明による光伝導性
絶縁体に対して静電電荷または帯電電位を印加するため
の、各種手段が提案されている。動作方法の１つでは、
光伝導性絶縁層の帯電のため、一種のコロナ放電が用い
られ、高電位に維持された１つ以上の細い導電体から構
成される隣接電極によって、光伝導体の隣接表面に電荷
が蓄積されることになる。こうしたコロナ放電装置の例
については、R.G.Vyverbergに対する米国特許第２，８
３６，７２５号、及び、E.C.Giamio,Jr.に対する米国特
許第２，９２２，８８３号に記載がある。実際、１つの
コロトロン（コロナ放電装置）を利用して、露光前に、
光伝導体に帯電し、もう１つのコロトロンを利用して、
トナー転写ステップ時に、コピー・シートに帯電するこ
とが可能である。コロトロンは、安価で、適合する装置
であるが、湿度の変化、及び、帯電される絶縁体の誘電
体厚さに敏感である。従って、これらの装置によって生
じる表面電荷密度は、必ずしも一定または均一でない可
能性がある。

【０００３】コロトロン帯電システムの代替案として、
ローラ帯電システムが開発された。こうしたシステムに
ついては、R.W.Gundlachに対する米国特許第２，９１
２，５８６号、E.F.Mayerに対する米国特許第３，０４
３，６８４号、R.W.Martel他に対する米国特許第３，３
９８，３３６号（誘電体層と帯電ローラ間に、接触させ
て挿入された２相液体フィルム）、F.W.Sshmidlinに対
する米国特許第３，６８４，３６４号、Dolcimascolo他
に対する米国特許第３，７０２，４８２号に例示があ
る。上記先行技術による装置は、接触帯電に関するもの
である、すなわち、帯電ローラが、例えば、感光体また
は最終保持（紙）シートといった、帯電される表面と接
触するように配置される。

【０００４】上述の先行技術によるタイプの表面接触帯
電ローラは、帯電される表面の移動速度によって制御さ
れる回転速度に制限される。換言すると、帯電ローラ
は、保持部材（それが、光伝導性ドラムであろうと、ベ
ルトであろうと、あるいは、トナーを転写すべき紙のシ
ートであろうと）に接触するので、帯電ローラの表面速
度は、帯電可能な保持部材の速度に等しくなければなら
ない。O'Brienに対する米国特許第３，９３５，５１７
号には、エネルギ流の強度とイメージ形成表面速度との
間における、イメージ形成表面の均一な帯電を実現する
のに必要な一般的な関係が開示されている。該特許にお
いて、帯電ローラは、イメージ形成表面から間隔をあけ
て配置され、イメージ形成表面の移動と同期する必要が
ない。

【０００５】さらに、これら先行技術による全ての装置
において、ローラ材料は、一般に、特定の用途に合わせ
なければならならないし、帯電可能な保持体に蓄えられ
る電荷の量は、通常、帯電ローラに加えられる電圧の関
数としてしか制御されない。プリ・ニップ絶縁破壊は、
ロールの電気特性を適切に選択することによって阻止さ
れる。帯電及び転写ローラ構造の誘電緩和時間は、特定
のプロセス速度に基づいて規定される。さまざまな動作
速度に合わせて帯電ローラ構造の変更が必要になるだけ
でなく、帯電ローラの緩和時間も、許容可能な範囲内に
維持しなければならない。従って、ロール材料の転動汚
染による導電率の変化に起因する劣化は、帯電ローラの
潜在的故障モードを表している。

【０００６】さらに、これらの先行技術による装置は、
全て、バイアス・ロールに電力供給するため、低電流レ
ベルで高電圧の電源を必要とする。この要件は、通常、
高電圧電源を組み込むことによって満たされてきた。こ
れらの高電圧電源は、電子写真式プリンタの全体コスト
及び重量を増すことになった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電子
写真プリンタの設計、製造、及び、利用において、こう
した印刷システムにおける伝統的な高電圧源の費用及び
重量を排除する、単純で、比較的安価で、正確な方法を
提供することにある。高品質で、比較的安価な電子写真
プリンタが増大するにつれて、正確で、安価な転写及び
帯電システムを提供する必要性が、さらに強まってい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の態様の１つによ
れば、誘電媒体に隣接して配置された、圧電材料から成
る外部層を備えるエンドレス・ウェブが設けられてお
り、エンドレス・ウェブの変形に応答して、表面電荷を
発生し、誘電媒体に蓄えるようになっている、移動方向
に所定の速度で移動する誘電媒体に表面電荷を蓄えるた
めの装置が得られる。

【０００９】本発明のもう１つの態様によれば、圧電材
料からなる外部層を備えたエンドレス・ウェブを設ける
ステップと、誘電媒体に隣接してエンドレス・ウェブを
配置するステップと、エンドレス・ウェブから電界を発
生させるステップと、エンドレス・ウェブによる電界か
ら誘電媒体に表面電荷を誘導するステップを含む、移動
方向に所定の速度で移動する誘電媒体に表面電荷を蓄え
るための方法が提供される。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明において有効な用途である
ことが分かった再生機械は、感光体ベルト１０を利用す
るものである。ベルト１０は、矢印１２の方向に移動
し、ベルトの順次部分が、その移動経路まわりに配置さ
れた各種処理ステーションを順次通過することになる。

【００１１】ベルト１０は、ストリッピング・ローラ１
４、テンション・ローラ１６、アイドル・ローラ１８、
及び、駆動ローラ２０まわりを引かれて移動する。駆動
ローラ２０は、ベルト・ドライブのような適合する手段
によってモータ（不図示）に結合されている。

【００１２】ベルト１０は、所望のバネ力により、弾性
でテンション・ローラ１６をベルト１０に押しつける１
対のバネ（不図示）によって張力が維持される。ストリ
ッピング・ローラ１４及びテンション・ローラ１６は、
両方とも、回転可能に取り付けられている。これらのロ
ーラは、ベルト１０が矢印１２の方向に移動する際、自
由に回転するアイドラである。

【００１３】引き続き、図１３を参照すると、最初に、
ベルト１０の一部が、帯電ステーションＡを通過する。
帯電ステーションＡにおいて、さらに詳細に後述するこ
とになる本発明の帯電部材１１０によって、比較的高い
ほぼ均一な電位になるまで、感光体ベルト１０が帯電さ
れる。

【００１４】露光ステーションＢにおいて、フラッシュ
・ランプ３２の照射を受けるため、もとの文書は、透明
プラテン３０上に面を伏せて位置決めされる。もとの文
書から反射する光線は、反射されて、レンズ３４に通
り、感光体ベルト１０の帯電部分に投射されて、電荷を
選択的に消散させる。これによって、もとの文書内に含
まれていた情報領域に対応する静電潜像がベルトに記録
される。

【００１５】次に、ベルト１０は、静電潜像を現像ステ
ーションＣまで送る。現像ステーションＣにおいて、現
像装置３８は、１つ以上のカラーまたはタイプの現像剤
混合物（すなわち、トナー及びキャリヤ粒状剤）を静電
潜像に接触させる。静電潜像は、キャリヤ粒状剤からト
ナー粒子を吸着し、感光体ベルト上にトナー・イメージ
が形成される。本書で用いられる限りにおいて、トナー
は、微細に分割されたドライ・インク及びトナー懸濁液
を表している。

【００１６】ベルト１０は、次に、現像された潜像を転
写ステーションＤに送る。転写ステーションＤにおい
て、紙のコピー・シートのような保持材料のシートが、
ベルト１０の現像された潜像に接触させられる。まず、
ベルト１０の潜像にランプ（不図示）による転写前露光
を施して、感光体ベルト１０とトナー・イメージの吸着
を弱める。次に、やはり、本発明の帯電装置４０によっ
て、適正な電位までコピー・シートに帯電すると、該シ
ートが感光体ベルト１０に付着し、トナー・イメージ
が、感光体ベルト１０からシートに吸着される。帯電装
置４０は、１９９４年７月２７日に本件と同時に提出さ
れた、参考までに本書に組み込まれている「SELF BIASI
NG TRANSFER ROLL」と題する同時係属出願第Ｄ／９２６
９５号に記載のタイプが望ましい。転写が済むと、スト
リッピング・ローラ１４によって、ベルト１０からシー
トがはがされる。保持材料は、最終基体への転写のた
め、トナー・イメージを後続の転写ステーションへ搬送
する、中間表面または部材とすることも可能である。こ
れらのタイプの表面は、やはり、電荷を保持する性質が
ある。

【００１７】保持材料のシートは、異なる量、サイズ、
及び、タイプの保持材料を保持することが可能な供給ト
レイ５０、５２、及び、５４から転写ステーションＤに
送られる。転写後、シートは、引き続き矢印６０の方向
に進んで、コンベヤ６２に載せられ、定着ステーション
Ｅに送られる。

【００１８】定着ステーションＥには、転写されたトナ
ー・イメージをシートに永久固着させる、全体が参照番
号７０で表示の定着アセンブリが設けられている。定着
アセンブリ７０には、トナー・イメージと接触した状態
で、加圧によって支持ローラ７４と係合するようになっ
ている、加熱定着ローラ７２が含まれていることが望ま
しい。こうして、トナー・イメージは、シートに永久固
着する。

【００１９】定着後、定着イメージを有するコピー・シ
ートは、デカーラ７６に通される。シートは、デカーラ
７６からシュート７８にガイドされて、キャッチ・トレ
イ８０または仕上げステーションに送られ、とじ込み、
ステープル留め、丁合い等を施されて、オペレータによ
ってコピー機から取り出される。代替案として、シート
を両面複写ゲート９２から両面複写トレイ９０に送り、
そこからプロセッサ及びコンベヤ５６に戻して、もう１
つの面のコピーを受けることも可能である。

【００２０】残留トナー及び汚染物（今後は、まとめて
トナーと呼ぶ）をトナーの逆の電荷にさらすことによっ
て、電荷の分布を狭め、クリーニング・ステーションＦ
においてより有効に除去できるようにするため、粗清浄
化装置９４が設けられている。転写後、感光体ベルト１
０に残っている残留トナーは、いくつかの周知の再生装
置によって、また、後述の構成に従って、再生され、現
像ステーションＣに戻されるように企図されているが、
非再生オプションの選択も可能である。

【００２１】上述のように、本発明による再生機は、い
くつかの周知の装置のうち任意のものとすることが可能
である。特定の処理、用紙取扱い、及び、制御装置に
は、本発明に影響のない、変更を予測することも可能で
ある。

【００２２】次に、特に図１を参照すると、図１から明
らかなように、ベルト１１０は、引っ張られて、テンシ
ョン・ローラ１１４及び駆動ローラ１１２のまわりを移
動する。駆動ローラ１１２は、ベルト・ドライブのよう
な適合する手段によってモータ（不図示）に結合され
る。ベルト１１０は、所望のバネ力により、弾性でテン
ション・ローラ１１４をベルト１１０に押しつける１対
のバネ（不図示）によって、張力が維持される。ローラ
１１４は、回転可能に取り付けられており、ベルト１０
が矢印１６の方向に移動する際、自由に回転する。ベル
ト１１０は、ＰｅｎｎｗａｌｔＫＴＭ製のＫｙｎａｒ
（登録商標）フィルムが望ましい、ポリふっ化ビニリデ
ン（ＰＶＤＦ）フィルムのような圧電ポリマー・フィル
ムの周囲表面層１４から構成される。

【００２３】ＰＶＤＦ材料は、フィルムをある方向に引
き延ばし、大きい電界を印加して、フィルムと垂直な方
向に、電気的に分極させることによって形成される。図
６の場合、引き伸ばし方向は、「１」で表示され、分極
方向は、「３」で表示されている。ＰＶＤＦシートは、
歪みが加えられると、変形に比例する内部電界を発生す
る。

【００２４】本発明は、「ゼロモルフ」と呼ばれるバイ
モルフまたはユニモルフ構造を利用している。バイモル
フのゼロモルフは、図７に示すように、シートの分極方
向が互いに逆で、底部電極だけしかない、互いに積層さ
れた２つのＰＶＤＦシート１０２及び１０４から構成さ
れる。ユニモルフのゼロモルフは、図８に示すように、
厚い基層１０６に積層された単一のＰＶＤＦシートから
構成される。基層材料は、曲げることができ、圧電特性
を備えていない材料から構成することが可能である。

【００２５】ベルト１１０は、ローラ１１４まわりで変
形するのに十分な伸縮性及び弾性を備えている。ベルト
１１０が、ローラ１１４の半径に沿って変形すると、圧
電構成要素に歪みが付与されることによって、ベルト１
１０の表面に電位が発生する。これにより、ベルト１０
とベルト１１０の間に形成されるニップ領域に、電界が
発生する。例えば、このギャップにおいて、空気のイオ
ン化が生じると、ベルト１１０によって、ベルト１０に
表面電荷が蓄えられる。ベルト１１０が、ローラ１１２
及び１１４まわりを移動するにつれて、中性化及びクリ
ーニング・ブラシ１１６が、ベルト１１０の表面をクリ
ーニングし、残留電荷を除去するが、この場合、ベルト
１１０は、フラットであり、ローラ１１２及び１１４ま
わりにおけるベルト１１０の変形以前には、外部電界が
存在しない。

【００２６】また、この解説から明らかなように、所望
の電位は、イメージ形成表面と接触するローラ半径に関
して適正な直径を選択することによって得られるが、こ
れについては、さらに詳細に後述する。

【００２７】エア・ギャップの絶縁破壊または入口ニッ
プにおけるイオン化の阻止は、不均一な帯電及び転写を
防止するのに重要である。これらの外乱は、一般に、
「タイガー・ストライプ」と呼ばれ、ニップの入口ゾー
ンにおけるエア・ギャップ放電の振動性自己消滅のため
に発生する。タイガー・ストライプ、すなわち、不均一
な帯電の阻止に利用可能な方法は、入口ニップにおける
感光体とゼロモルフ表面との間の電位差を制限して、空
気絶縁破壊が生じる可能性のあるレベルに接近しないよ
うにすることである。１９７５年にFocal Press社から
刊行された、R.M.SchaffertによるELECTROPHOTOGRAPHY
第２版の５１４ページに開示されたパッシェン曲線によ
れば、最低空気絶縁破壊電圧は、約３６０ボルトであ
る。本発明による非同期帯電モードを利用すると、「タ
イガー・ストライプ」が減少することが分かっている。

【００２８】図２Ａには、非同期帯電モードの幾何学構
成が示されている。帯電される感光体は、右に移動して
いるが、ゼロモルフ帯電部材は、図示のように、右から
左に移動している。図２Ｂには、それぞれ、ニップを通
る実線と点線で、感光体とゼロモルフの表面電位が示さ
れている。ゼロモルフの表面電位は、ローラの半径に沿
った適正な曲げと中性化によって、当初、例えば、１０
００ボルトに設定される。感光体は、７００ボルトまで
帯電すると、出口ニップに電位差（１０００−７００）
＝３００ボルトが生じるが、これは、空気絶縁破壊の最
低値３６０ボルト未満である。入口ニップにおいて、感
光体は、当初、０ボルトである。ゼロモルフの表面電位
は、ニップを介して、ゼロモルフから感光体に転移した
電荷量によって決まる。図２Ａの例は、ゼロモルフの表
面電位が３００ボルトまで低下したという想定によるも
のである。この事例では、やはり、入口ニップにおける
電位差（３００−０）＝３００ボルトは、空気絶縁破壊
の最低値３６０ボルト未満である。この例の場合、入口
エア・ギャップと出口エア・ギャップの両方における感
光体とゼロモルフの電位差は、３６０ボルト未満に制限
されたので、空気絶縁破壊が阻止された。

【００２９】予測されるように、ゼロモルフの表面電位
の低下と感光体の表面電位の上昇（帯電）との関係は、
当初、相対的電気容量、すなわち、 △Ｖｘｍ／△Ｖｐ／ｒ＝（Ｃｐ／ｒ／Ｃｘｍ）Ｋ、ここで、Ｋ＝速度比（Ｓｘｍ／Ｓｐ／ｒ）によって決ま
る。ゼロモルフの相対速度（Ｓｘｍ）及び感光体の相対
速度（Ｓｐ／ｒ）によって、ニップを介したゼロモルフ
と感光体のそれぞれの有効時間積分全容量が決まる。速
度比Ｋは、従って、最適な性能を求めて、非同期ゼロモ
ルフ帯電システムを調整するために利用するのに便利な
パラメータである。

【００３０】非同期ゼロモルフ帯電は、下記の実験構成
を利用してテストされた。ゼロモルフ装置は、．００
３″のニッケル製シームレス・ベルトに結合されて、ユ
ニモルフ構造を形成する、１１０μ厚の分極ＰＶＤＦ
Ｋｙｎａｒ（登録商標）圧電フィルムから構成された。
シームレス・ベルトは、モータを備えた２つのロール固
定具に取り付けられた。導電性ブラシによって、フラッ
ト・ゾーンのゼロモルフ表面電位が中性化された。帯電
ニップにおいて、ロールの上でゼロモルフを曲げること
によって、同じ直径の他のロールにおけるＥＳＶ測定に
よって求めることが可能な値Ｖｘｍの表面電位が発生す
る。この非同期ゼロモルフ帯電実験では、代用感光体と
して、アルミ・メッキした．００１″マイラーが利用さ
れた。

【００３１】図３Ａには、この装置によって発生した実
験データが示されている。速度比が増すにつれて、．０
０１″マイラーは、７００ボルトに近い表面電位値まで
帯電された。この実験においては、マイラーの表面電位
は、３〜４のオーダの速度比Ｋで、７００ボルトの値に
漸近したようである。

【００３２】図３Ｂには、．００１″マイラーの代わり
に、感光体ベルトを用いて発生したデータが示されてい
る。やはり、帯電は、漸近するように思われる。３〜４
のオーダの速度比でほぼ等しくなった約−９００ボルト
の表面電位は、後続のゼログラフィによるイメージ形成
に適した値である。

【００３３】図４には、本発明のもう１つの実施例が示
されている。この実施例には、ニップ前の絶縁破壊に起
因する不均一性を阻止するためのもう１つの方法が開示
されている。この方法は、空気絶縁破壊がニップ後領域
でしか起こり得ないことを保証するやり方で、ニップ領
域を通る電界の大きさを制御する（調整する）ことであ
る。

【００３４】図５には、図４に示すゼロモルフ・ベルト
の制御された曲げによるゼロモルフ表面電位が示されて
いる。ゼロモルフの表面電位は、その曲げの半径と反比
例の関係にあるので（これについては、さらに詳細に後
述する）、ゼロモルフ・ベルトの表面電位Ｖｘは、図５
に含まれるプロットに示す位値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及
び、Ｆにおいて予測可能である。この例に関して、ゼロ
モルフ構造は、曲げられて、半径が減少すると、正の表
面電位が増大するものと仮定された。

【００３５】次に、図５を参照する。

【００３６】位置Ａにおいて、中性化及びクリーニング
・ブラシによって、開始Ｖｘ＝０ボルトが設定される。

【００３７】位置Ｂにおいて、Ｒ（曲率半径）は、変化
がなく、従って、Ｖｘ＝０ボルト。

【００３８】位置Ｃ及びＤにおいて、半径Ｒは、極めて
大きく、Ｖｘ＜＜０ボルトになる（すなわち、Ｖｘ＝負
の極性）。

【００３９】ステージＥにおいて、ゼロモルフ・ベルト
は、曲げられて、半径が小さくなり、Ｖｘ（α１／Ｒ）
が大きい正の値になる。小さいが、増大するニップ後ギ
ャップに関して、Ｖｘが、絶縁破壊電圧を超えると、空
気絶縁破壊によって、電荷△ｑがゼロモルフ表面から感
光体表面に有効に転移して、ＶｘがＶｔに低下する（放
電によって、該ギャップに関する電圧が持続する）。図
５に示すように、ゼロモルフの放電と感光体の帯電の電
圧値は、等しい。これが生じるのは、それらの電気容量
が等しい場合に限られる。さもなければ、Ｖｐ／ｒ＝
（Ｃｘ／Ｃｐ）△Ｖｘとなるが、ここで、Ｃｘ＝ゼロモ
ルフの容量、Ｃｐ＝感光体の容量。

【００４０】位置Ｆにおいて、半径は、やはり大きい
（Ｃ及びＤと同様）。Ｖｘが、絶縁破壊電圧を超えなけ
れば、Ｖｘ＝Ｃ及びＤにおけるＶ。絶縁破壊が生じる
と、Ｖｘは、同じ値だけ負になる（△Ｖｘ）ので、ゼロ
モルフ表面電位は、空気絶縁破壊放電△ｑの結果とし
て、低下する。

【００４１】位置Ａにおいて（再び）、中性化ブラシに
よって、Ｖｘ＝０ボルトが再設定される。Ｐ／Ｒ（感光
体）の空気絶縁破壊による帯電が生じると、アースから
の電流が、感光体表面に転移した電荷△ｑに取って代わ
ることになる。

【００４２】主たる構成要素の構成及び配列を考慮する
ことにより、今や、その動作に関する説明から本発明の
完全な理解が得られるものと確信する。理論によって制
限されることを望むものではないが、本発明の主たる構
成要素は、下記モデルに基づいて機能するものと考えら
れる。

【００４３】最高の電圧及び電界が生じるのは、図９に
示すように、能動圧電層の底面が接地される場合であ
る。

【００４４】上方接地面は、該層の上方にかなり離れて
位置しているので、表面上の電界は、無視することがで
きる。これは、静電電圧計で表面電位を測定する場合に
生じる状況であり、外部電界を中性化するためにフィー
ドバック制御される。該モデルは、フィルムの表面が、
バルクのように帯電されていないという想定によるもの
である。

【００４５】残りの唯一の静電界源は、下記に示すよう
に、曲げると材料に生じる分極ということになる。Ｄ＝εＥ＋Ｐ

【００４６】フィルム内のスペースの電荷は、ゼロのた
め、 ▽・Ｄ＝ｐ＝０従って、フィルム内は、Ｄ＝一定フィルムの表面には、電荷がなく、従って、Ｄベクトル
は、界面全体にわたって連続し、Ｄａ＝ＤｂＥ電界（従って、Ｄ電界）は、エア・ギャップ内におい
てゼロのため、Ｄｂ＝εＥｂ（ｚ）＋Ｐ（ｚ）＝０

【００４７】層中のＥ電界は、下記によって表される。

【数１】

【００４８】層内のＥ電界は、局所歪みによって左右さ
れるＰとともに変化するので、均一にはならない。層の
上部における表面電位は、ｚ＝０のアースからｚ＝ｂの
表面までのＥ電界を積分し、下記のように圧電層の開回
路電圧を表すか、

【数２】

【００４９】あるいは、圧電係数及び歪みに関して下記
のように表すことによって、求めることが可能である。

【数３】

【００５０】従って、開回路電圧の計算が可能になる前
に、歪み分布を求める必要がある。

【００５１】シートを曲げると、シートの外側表面が長
くなり、内側表面は短くなる。

【００５２】長さに変化を生じない、シート内のある部
分は、中性レベルである。Ｋｙｎａｒ（登録商標）の単
一シートのように均一な材料の場合、中性位置は、図７
に示すように中央に位置することになる。歪みは、

【数４】によって定義される。

【００５３】中性軸に沿って、長さに変化はないので、
角度θの円弧の場合、引き伸ばされていない長さ＝Ｒθ ここで、Ｒは、中性軸の曲率半径である。中性軸から離
れると、長さは下記によって表される。引き伸ばされた長さ＝（Ｒ＋ｚ）θ ここで、ｚは、中性軸から測定した距離である。この結
果を歪みの定義に代入すると、下記のようになる。

【数５】

【００５４】歪みは、中性軸に沿ってゼロであり、層の
上部及び底部（ｚ＝±ｂ／２）において最大値になる。
これらの位置における歪みの値は、次の通りである。

【数６】

【００５５】この値は、材料の破壊または降伏前におけ
る材料の変形に対する制限を設定するので、実際に設計
する上で重要である。Ｋｙｎａｒ（登録商標）は、２５
〜４０％延びると破損することが分かっているので、装
置の耐用期間における機械的劣化、亀裂等を阻止するた
め、歪みは、それよりかなり低いレベルに保持すること
が望ましい。例えば、歪みに対する実際の制限を１％と
することが可能である。

【００５６】ただし、より一般的な電源とは異なり、電
圧は、外部制御装置ではなく、フィルムの曲げ歪みによ
って設定される。歪みに関する実際の制限は、フィルム
厚とローラ半径の両方によって制御される。例えば、１
％の歪みの場合、

【数７】

【００５７】従って、０．１ｍｍのバイモルフ・フィル
ムは、半径がＲ＝５ｍｍのローラに沿って曲げられると、１％の歪みレベルに達
する。

【００５８】ローラの半径がもっと長ければ、電界がそ
の限界未満になり、半径がもっと短ければ、引き伸ばさ
れて、層の劣化を生じる可能性がある。より大きいロー
ラを利用しなければならない場合、所望の電界を得るに
は、二層をより厚くしなければならないし、同時に、機
械的設計に注意して、ベルトが、過度の歪みを生じるよ
り急な湾曲部を通ることがないように保証しなければな
らない。

【００５９】歪みに関する下記の式は、Ｒ、すなわち、
中性層の曲率半径に関して書かれている。実際、この距
離は、ローラ及び層自体の厚さの寄与するところによっ
て成り立っている。中性層の半径は、Ｒ＝Ｒ_r＋ｂ／２であり、ここで、ｂは、ベルトの厚さ、Ｒｒは、ローラ
の半径である。２つの半径は、下記によって関連づけら
れる。

【数８】

【００６０】この例の場合、歪み制限は、〜１％であ
り、これは、ｂ／２Ｒも１％のオーダであることを表し
ている。これは、わずかな差であるので、無視すること
が可能である。それが重要になるのは、より大きい歪み
が許容される場合に限られる。例えば、

【数９】

【００６１】ゼロモルフ（バイモルフ）に発生する表面
電位は、下記の特徴がある。

【００６２】バイモルフのゼロモルフ積層シートを曲げ
ると、外側の層の正の歪みによって、正電圧が生じ、ま
た、分極の反転により、内側の層の負の歪みによって、
やはり、正の電圧が生じる。

【００６３】該環境において生じる表面電位は、層の一
方に生じる電位の２倍である。

【００６４】曲げにおける歪みに関する下記の式を

【数１０】電圧積分に利用すると、バイモルフの開回路電圧は、次
のようになる。

【数１１】

【００６５】これらの式は、バイモルフに実施されたテ
ストで得られた実験結果と比較することが可能である。
フィルムは、２枚の４ミルのＫｙｎａｒ（登録商標）シ
ートを背面どうしで結合して、０．２２ｍｍの全体厚が
得られるようにして、製造された。次に、積層シートを
異なる直径の円形に沿って曲げ、静電電圧計を用いて、
表面電位が測定された。このテストで得られた測定値
が、表１にリスト・アップされている。

【表１】

【００６６】実験での構造から厚さと曲率の両方とも分
かっているので、圧電係数ｈが分かれば、モデルによっ
て予測される開回路電圧を計算することが可能になる。
ｈの適正値は、Pennwaltのパンフレット「Kynar Piezo
Film」、及び、技術マニュアル「Kynar Piezo Film」に
リスト・アップされた特性から計算された。予測可能な
最大値及び最小値は、次のように表された。ｈ_min＝２６１Ｖ／μｍｈ_max＝７７０Ｖ／μｍモデルの電圧予測は、曲率の関数として、測定値ととも
に、図１０に示された限界の両方について作図された。

【００６７】表面電位の実験測定値は、電位の値と材料
の基本特性の関連付けが可能であることを表した、モデ
ル予測によって一括されている。測定電圧から、圧電係
数ｈの見掛け値が、３つのデータ・ポイントを当てはめ
て、中央の曲線を生成することによって求められた。こ
の曲線は、データ・ポイントのそれぞれに極めて接近し
て通っているが、このことは、さらに、電圧の予測が曲
率半径に基づくことを表している。結果は一致するの
で、当てはめられた曲線から取り出された、ｈの見掛け
値は、下記のモデリングに利用される。この当てはめら
れた値は、ｈ_fit＝４３１Ｖ／μｍ

【００６８】表面電位は、簡単に測定され、効果の大き
さを示すものとして役立つが、応用設計にとって最も有
効な量ではない。例えば、転写ステーションにおいて、
トナーを用紙に付着させるには、エア・ギャップに強い
電界が必要になる。同様に、現像ニップにおいて、プロ
セスを仕上げるには、電界が強くなければならない。従
来の誘電ウェブの場合、電界が、誘電体の表面電荷によ
って生じるので、表面電位とギャップの電界は、正比例
の関係にある。しかし、圧電ウェブでは、電界がバルク
材料の分極によって生じ、また、場所によって変動する
ので、これは、当てはまらない。エア・ギャップのＥ電
界は、必要とされる構造に関する基本的な静電関係から
計算しなければならない。

【００６９】典型的な構造には、図１１に示すように、
片側が接地され、もう片側のエア・ギャップの幅が有限
の圧電層が含まれる。

【００７０】圧電層の深さはｂであり、エア層の厚さ
は、ａである。前述のように、表面電荷とバルク電荷
は、両方とも、ゼロと仮定されるので、Ｄベクトルは両
方の層とも均一であり、互いに等しい。しかし、この場
合、Ｅ電界は、空気中に消失しない。ギャップにおける
Ｄ電界の値は、下記の通りである。Ｄ＝ε₀Ｅ_a＝εＥ_b＋Ｐこれは、下記のように圧電層の電界に関して解くことが
可能である。

【数１２】

【００７１】エア層の上方及び圧電層の下方には、接地
された電極があるので、両方の層間における正味の電圧
降下は、消失しなければならない。

【数１３】

【００７２】Ｅ_bに関する式を代入するか、あるいは、
表面電位の定義を利用すると、次のようになる。

【数１４】

【００７３】下記の式を呼び戻すと、

【数１５】

【００７４】曲げられた圧電層の上方のエア・ギャップ
における電界に関する結果は、次のようになる。

【数１６】

【００７５】バイモルフに関する表面電位は、これまで
に計算されている。すなわち、

【数１７】

【００７６】これをエア・ギャップのＥ電界に関する式
に代入すると、次のようになる。

【数１８】

【００７７】この式から明らかなように、電界が最も強
くなるのは、エア・ギャップａが、圧電層の誘電体厚に
比べて狭くなる場合である。この場合、すなわち、ａ＜
＜ｂ／ｋ_bの場合、エア・ギャップの電界は、次のよう
になる。

【数１９】

【００７８】エア・ギャップが狭くなるにつれて、電界
は無限に増大するのではなく、有限値に達する。

【００７９】電界に関する式の第２項は、弾性歪みであ
るが、これは、圧電層の破壊点未満の値に制限される。
Ｋｙｎａｒ（登録商標）の場合、２５〜４０％の破壊歪
みを安全に下回るのは、１％の歪みであると仮定され
た。所定の用途において許容される最大歪みをＳ_maxで
表すことにする。狭いエア・ギャップで発生し得る最大
電界は、次の通りである。

【数２０】

【００８０】先行例におけるように、下記のパラメータ
を想定する。Ｓ_max＝．０１ｈ＝４３１×１０６Ｖ／ｍｋ＝１２こうした環境において、エア・ギャップ内のＥ電界は、
下記の強さになる。Ｅ_a,max＝５１．７Ｖ／μｍこれは、極めて狭いギャップにおける空気の絶縁破壊電
界（６８Ｖ／μｍ）に比べてわずかに弱く、広いギャッ
プの絶縁破壊電界（３Ｖ／μｍ）に比べるとはるかに強
い。従って、曲がった圧電フィルムの次の狭いギャップ
は、１％の歪みであっても、静電コピー機において用い
られる電流電源とほぼ同じ強さの電界にさらされる。こ
れによって明らかなように、現在得られる材料によっ
て、転写及び現像のようなサブシステムにおける従来の
大部分の高電圧源に取って代わる電界を発生させること
が可能である。

【００８１】ローラ半径を適正に選択すれば、所定の厚
さのバイモルフで、最大出力を得ることが可能である。
しかし、多くの場合、ローラ半径は制御されない。半径
が長くなりすぎると、出力は、最大値未満まで低下す
る。

【００８２】ユニモルフのゼロモルフの場合、図８に示
すように、ベルトの全厚は、ｂで表される。曲げの外側
における能動圧電層の厚さは、ｂａによって表される。
この層は、その上方の空気に対して開放されており、基
層に積層されるポイントで接地されている。接地面は、
基層の下に配置することができるが、これによって、出
力はかなり低くなる。

【００８３】この構成によって生じる開回路電圧は、バ
イモルフのゼロモルフの場合と同じ公式によって表され
るが、積分は、能動領域に関して評価されるだけであ
り、ベルト全体に関してではない。

【数２１】

【００８４】能動領域は、積層の上部の能動圧電層の厚
さにわたって延びているだけであり、積分は、先行例の
場合と同じ歪みを利用すると、次のようになる。

【数２２】

【００８５】能動層がフィルムの全体に延びる（ｂ_a＝
ｂ）特殊事例の場合、これによって、予測通り、Ｖ₀＝
０の開回路電圧が得られる。能動層が途中ｂ_z＝ｂ／２
まで延びている場合、電圧は降下して、次のようにな
る。

【数２３】

【００８６】これは、前に得られた全ゼロモルフ（バイ
モルフ）電圧の半分である。

【００８７】単一能動層または受動基層に関する状況を
ゼロモルフ（バイモルフ）と比較するため、開回路電圧
をゼロモルフ（バイモルフ）によって得られる基準値に
対して正規化するのが有効である。該電圧は、次のよう
に書き直すことが可能である。

【数２４】

【００８８】この電圧の最高値は、１／２Ｖ₀であり、
能動層がベルト全体の１／２の厚さである場合に生じ
る。従って、同じベルト厚の場合、この構成では、必
ず、バイモルフより低い出力電圧を生じることになる。
ゼロモルフ（ユニモルフ）の有利な特徴によって、後述
のように、主として、直径の大きいローラに対する強い
電界が許容されることになる。

【００８９】測定は、Ｋｙｎａｒ（登録商標）フィルム
及びプラスチック・シムストックである基層についてさ
まざまな厚さを利用し、ユニモルフ構造の表面電位につ
いて実施された。これら２つの層は、積層され、半径
０．９３７５インチ（２３．８ｍｍ）のＰＶＣ管材に沿
って曲げられた。表２には、テスト結果の要約が示され
ている。

【表２】

【００９０】このモデルによる予測電圧は、バイモルフ
に関する測定で得られたｈの当てはめ値（４３２Ｖ／μ
ｍ）を利用して計算された。管材の半径ではなく、中性
層の実際の半径を利用して、曲率半径Ｒが計算された。
測定電圧と予測電圧の比較が、図１２に示されている。

【００９１】完全な一致が得られれば、実験ポイント
は、全て、対角線上に位置することになる。実際の測定
値は、対角線を一括しており、平均すれば、モデルが正
しい電圧を予測していることになる。従って、ユニモル
フも、バイモルフも、両方とも、このモデルによって十
分に明らかになるものと思われる。

【００９２】ギャップの電界は、バイモルフの場合と同
じやり方で計算される。接地面は、能動層の底部に位置
するので、受動基層が、下記の式によって表されるエア
・ギャップの電界に影響することはない。

【数２５】

【００９３】能動層の開回路電圧に関する値を代入す
る。

【数２６】

【００９４】ゼロモルフ（バイモルフ）の場合と同様、
エア・ギャップにおける最大電界が生じるのは、エア・
ギャップが、能動層の誘電体厚よりはるかに狭い場合で
ある。この最適なエア・ギャップの電界は、次の通りで
ある。

【数２７】

【００９５】この電界は、能動層において許容可能な歪
みによって、下記の値に制限される。

【数２８】

【００９６】ゼロモルフ（ユニモルフ）構成の有効性の
一例として、半径１００ｍｍのローラ（ローラの直径が
約８インチ）について考えてみる。前のように、表面に
おける最大歪みを１％とみなすと、ベルト厚は、下記の
式からｂ＝２ｍｍとして求められる。

【数２９】

【００９７】これは、通常、数ミルの寸法で供給される
圧電フィルムに比べるとかなり厚めである。受動基層の
上に薄い圧電フィルムを取り付けると、バイモルフに比
べて高い性能を得ることができる。例えば、４ミルの圧
電フィルム（ｂ_a＝０．１ｍｍ）がたわみ基層に取り付
けられ、全厚が、最大許容歪みに必要とされる２ｍｍに
なる場合について考えてみる。この例は、次の通りであ
る。

【数３０】

【００９８】最大エア・ギャップ電界は、次の通りであ
る。Ｅ_max＝０．９５ｈｋ_bＳ_max

【００９９】同じ条件で、バイモルフ構造によって、１
／２の係数の最大電界が得られるので、ユニモルフによ
って、実際には、バイモルフの出力の２倍の出力が生
じ、より大きい半径を回ることになる。前と同じ値の圧
電定数及び誘電率と、最大歪みを利用すると（Ｓ
_max＝．０１，ｈ＝４３１×１０⁶Ｖ／ｍ，ｋ＝１２）、Ｅ_a,max＝９８．３ｖ／μｍこれは、ギャップが極めて狭い場合でも、空気の絶縁破
壊電界をかなり上回ることになる。

【０１００】要するに、誘電媒体に隣接して配置され
た、圧電材料から成る外部層を備えるエンドレス・ウェ
ブが設けられており、エンドレス・ウェブの変形に応答
して、表面電荷を発生し、誘電媒体に蓄えるようになっ
ている、移動方向に所定の速度で移動する誘電媒体に表
面電荷を蓄えるための装置及び方法が得られたことにな
る。エンドレス・ウェブは、２つのローラまわりを引か
れて、外部層が変形する。ゼロモルフ構造の曲げによっ
て生じる電圧及び電界を予測するモデルも得られた。電
圧は、厚さ、構造、曲げ半径、及び、材料の特性を表す
圧電係数ｈによって決まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の帯電部材を表す図である。

【図２】Ａは幾何学配置の非同期帯電を示す図、Ｂは
感光体及び帯電部材の表面の表面電位を示す図である。

【図３】Ａ及びＢは非同期帯電モードを用いて、本発
明によって発生した実験データを示す図である。

【図４】本発明のもう１つの実施例を示す図である。

【図５】図４の帯電装置を用いた感光体の電位を示す
図である。

【図６】圧電シートの構造を示す図である。

【図７】本発明によって利用されるバイモルフのゼロ
モルフを示す図である。

【図８】本発明によって利用されるユニモルフのゼロ
モルフを示す図である。

【図９】圧電電圧発生器の上方のエア・ギャップを示
す図である。

【図１０】本発明によって利用されるバイモルフのゼ
ロモルフに関する実験結果を示す図である。

【図１１】片側が接地された圧電層の構造を示す図で
ある。

【図１２】本発明によって利用されるユニモルフのゼ
ロモルフに関する実験結果を示す図である。

【図１３】本発明の典型的な静電写真印刷器の帯電部
材を示す図である。

【符号の説明】

１０ベルト、１４ストリッピング・ローラ、１６
テンション・ローラ、１８アイドル・ローラ、２０
駆動ローラ、３０プラテン、３２フラッシュ・ラン
プ、３４レンズ、３８現像装置、４０帯電装置、
５０供給トレイ、５２供給トレイ、５４供給トレ
イ、６２コンベヤ、７０定着アセンブリ、７２定
着ローラ、７６デカーラ、７８シュート、８０キ
ャッチ・トレイ、９０両面複写トレイ、９２両面複
写ゲート、１１０ベルト、１１２駆動ローラ、１１４
テンション・ローラ、１１６中性化及びクリーニン
グ・ローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に隣接して配置され、圧電外部層が
変形するのに応答して、表面に電荷を蓄える、圧電外部
層を備えたエンドレス・ウェブから構成される、表面に
電荷を蓄えるための装置。
【請求項２】さらに、複数のローラが設けられてお
り、前記エンドレス・ウェブが、前記複数のローラに引
っ張られて、前記圧電外部層が変形するように構成され
ている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】圧電外部層を備えたエンドレス・ウェブ
を設けるステップと、表面に隣接して、エンドレス・ウェブを位置決めするス
テップと、エンドレス・ベルトの外部圧電層を変形させて、表面に
電荷を誘導する電界を発生させるステップから構成され
る、表面に電荷を蓄える方法。