JP3624953B2 - 接触転写装置 - Google Patents

Description

本発明は電子写真プロセスを用いて画像を形成する装置に関しさらに詳しくは接触転写を用いて電子写真プロセスを構成するのに好適な画像形成装置に関する。

近年、電子写真プロセスを用いた画像形成装置ではオゾンの発生量を低減するために従来のコロナ帯電、コロナ転写にかわり接触帯電、接触転写が検討されている。接触転写の一例としてはバイアスローラ転写が検討されそのバイアス制御方法および装置は数多く提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

特許文献１等では定電流供給手段と転写手段に印加される最低電圧と最高電圧を制限する手段を設けることにより環境や紙を主たる被転写体の特性の変化、被転写体の種類にかかわらず安定して良好な転写が可能であるとされている。

また、特許文献２等では定電圧源から電流制限回路を介して所定の電圧が印加される転写ローラを備え転写ローラに印加される電圧が所定の電圧よりも低くなると前記電流制限回路のインピーダンスが略零となる構成により高温、高湿の使用環境においても画像の質の低下を防止することができるとされている。

また、特許文献３等に見られるようにローラの抵抗値を定電流を印加することにより検知しその値に基ずいて転写のバイアスを設定し定電圧を印加する方法により環境やローラ抵抗によらず良好な転写ができるとされている（以後この方法をＡＴＶＣ制御と呼ぶ）。
特開平２−２８５３７７号公報 特開平５−１１６４３号公報 特開平２−１２３３８５号公報

しかし、従来技術においては以下に示す課題があった。まず、定電流バイアス制御において最高電圧、最低電圧を制限する方法であるがリミッタ制御が２箇所必要でありコスト的に不利であるという課題を有していた。また、初期品質を確保するように制限する最高電圧を設定すると繰り返し使用されるうちに転写部材の抵抗値が上昇し転写電流が不足することによる転写不良が発生することがあった。さらに、従来制限する最低電圧は転写部材に流れる電流によらず定電圧が好ましいとされていた。したがって制限する最低電圧の値を２３℃、６５％ＲＨといった常温、常湿環境（以後、ＮＮ環境と呼ぶ。）において最適な電圧に設定すると３５℃、６５％ＲＨといった高温、高湿環境（以後、ＨＨ環境と呼ぶ。）では転写部材や被転写体が低抵抗になるため潜像担持体に流入する電荷が多くなり電位低下をもたらし次回画像形成時に前回の履歴が表れることがあった。（以後、この現象を画像メモリと呼ぶ。）この逆に制限する最低電圧の値をＨＨ環境で抵抗ばらつき下限の転写部材においても画像メモリが発生しない低めの電圧に設定するとＮＮ環境で抵抗ばらつき上限の転写部材においてバイアス不足による転写不良が発生することがあった。

また、定電圧源から電流制限回路を介して所定の電圧が印加される転写ローラを備え転写ローラに印加される電圧が所定の電圧よりも低くなると前記電流制限回路のインピーダンスが略零となる方法であるが、電流制限回路に最も簡単な構成である数百ＭΩの高抵抗を直列に接続する方法が開示されている。しかし、高抵抗素子を精度良く（±数％程度）製造するためにはコストが高くなるという課題を有していた。コストを抑えるために精度を落とす（±１０％程度）と転写部材の製造上の抵抗ばらつき（通常０．１桁〜１．０桁程度存在する）によっては転写のバイアスが不足したり、過剰となって転写不良をおこすことがあった。また、紙を主たる被転写体が環境（例えば１０℃、１５％ＲＨといった低温、低湿環境（以後、ＬＬ環境と呼ぶ。））や定着後の第２面印字のように高抵抗化した場合や繰り返し使用により転写部材の抵抗値が高くなった場合、定電圧電源に高抵抗を直列につなぐ構成では流れる電流が不足し転写不良をおこすことがあった。その問題を回避するために定電圧値を高くすることが考えられるが実装上およびコスト上不利となる課題を有していた。

また、ＡＴＶＣ制御はローラ抵抗を検出し印加する定電圧値を決定するフィードバック制御であるため構成が複雑で高価となるという課題があった。また、定電流動作時の出力電圧を保持するのにコンデンサを用いるためリークによるコンデンサの電位変化により出力する定電圧値が不安定となる課題がありそれらを解決するために電源回路周辺のスペースをとったり絶縁部材を用いる必要がありコスト、スペース面で不利であった。

そこで、本発明はかかる従来の問題点を鑑みてなされたものでその目的とするところは、環境や転写部材の製造上の抵抗ばらつきによらず高品質で耐久性に優れた転写装置を提供することである。本発明の他の目的は、複雑な制御の必要のない電源を用い、低コストで小型な転写装置を提供することである。

そのために本発明は、転写部材にバイアス印加手段により電界を形成し、潜像担持体上のトナーを被転写体に転移させる転写装置において、
前記転写部材に印加されるバイアスが、あらかじめ設定された動作点（Ｖ_min 、Ｉ₁ ）を基準にして、予め設定された電圧値Ｖ_min 以上では予め設定された電流値Ｉ₁ の定電流であり、予め設定された電圧値Ｖ_min 以下になると電流が増加し、その増加とともに電圧値が減少するバイアスであり、かつ前記転写部材は、１０℃、１５％ＲＨの低温、低湿環境下での、電流値Ｉ₁ で測定時の抵抗Ｒ₁ （Ω）、前記電流値Ｉ₁ の０．５倍の電流値で測定時の抵抗Ｒ_0.5 （Ω）、前記電流値Ｉ₁ の２倍の電流値で測定時の抵抗Ｒ₂ （Ω）としたとき、
ｌｏｇ（Ｒ₁ ）＞ｌｏｇ（Ｒ_0.5 ／Ｒ₂ ）＋８．０
となるようにしたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、制限する最低電圧を前記転写部材に流れる電流が増すほど小さくなるように制御するため、環境ごとに転写部材抵抗の製造ばらつきも含めて最適なバイアスが設定され、高品質な接触転写装置が提供できる。さらに、転写部材の抵抗が高いほど、また、転写部材の抵抗値の電流依存性が小さいほど潜像担持体と転写部材が直接接触する部分における電位低下が少ない作用により転写部材汚れさらには被転写体汚れを防ぐことができる。

請求項１記載の発明によれば、転写部材の抵抗値、さらに転写部材の抵抗値の電流依存性を最適化したためバイアス印加手段に従来必要であった最高電圧を制限する手段が不要となり低コスト化できるとともに定電流バイアスの設定値Ｉ₁ および転写部材の抵抗値の設計に自由度が増しさらなる低コスト化、品質の安定化が可能となった。

図１は本発明の転写装置の断面概観図である。図１において、潜像担持体１０１は、導電性の支持部１０２の上に有機の光導電性を有する感光層１０３を形成したもので直径３０ｍｍで周速度２４ｍｍ／秒で回転する。感光層１０３の膜厚は約１７μｍで比誘電率は約３．２である。直径１６ｍｍ、幅約２２０ｍｍの転写ローラー１０４は、潜像担持体１０１に対してバネ等の弾性体に懸架され数ｇｆ〜２０ｇｆ／ｍｍ程度の荷重で圧接され約１〜４ｍｍの転写ニップが確保される。また、バイアス印加手段１０５により被転写体先端１０７が転写ニップに到達すると同時に所定のバイアスが印加され潜像担持体上に現像されたトナー１０６が被転写体１０７上に転写される。出力抵抗Ｒout １１０は制限する最低電圧を転写部材に流れる電流が増すほど小さくなるように制御する電圧可変手段の一例である。この電圧可変手段は出力抵抗Ｒout 以外にもバリスタを用いたりバイアス印加手段１０５自身で電流、電圧を検出し所定の電圧降下が得られるように制御することも可能であるがバイアス印加手段１０５と転写部材１０４との間に出力抵抗Ｒout を構成する方法は装置のコスト、スペース、信頼性の点で最も優れている。

転写前のガイド１０８および転写後のガイド１０９等の被転写体１０７と接触する部材の抵抗値は高湿環境下での電流のリークを防ぐため表面抵抗が１０⁷ Ω以上好ましくは１０⁹ Ω以上の高抵抗の部材で形成される。しかし、高抵抗の部材でガイドを形成すると低湿環境下で被転写体１０７とガイド１０９の摩擦帯電により被転写体１０７上の未定着トナーが飛散することがある。そこで転写後のガイド１０９は被転写体１０７を異常に帯電させない部材を用いる。本実施例では転写後ガイド１０９の材質にガラスを分散したポリエチレンテレフタレートを用いた。なお、図示はしないが潜像担持体１０１の周辺には帯電手段、静電潜像を形成する露光手段、現像手段、転写残りトナーを清掃するクリーニング手段等の画像形成に必要な部材が配設されていることは勿論である。

バイアス印加手段１０５は図２に示すように出力電圧Ｖ₁ が設定電圧（Ｖ_min ＋Ｒout ×Ｉ₁ ）以上の時は設定電流Ｉ₁ で定電流動作をし、転写部材で制限される最低電圧Ｖ_min （＝Ｖ₁ −Ｒout ×Ｉ₁ ）に対応する設定電圧になると定電圧動作をする。したがって、転写部材には出力抵抗Ｒout １１０により定まるバイアス（Ｖ＝Ｖ₁ −Ｒout ×Ｉ）が出力される。出力抵抗Ｒout はバイアス印加手段１０５に内蔵されていても転写部材直前に配置されていても同等の効果を有する。出力される最大電圧Ｖmax は用いるトランスにより定まる。Ｖmax は従来の最高電圧を制限するための手段（図中Ｖlimit ）とは異なり定電流電源に通常用いられる電源保護回路である。よってＶmax は従来のＶlimit のように定電圧（図中Ａ）や定電力で制御する（図中Ｂ）必要も精度も要求されるものではなくコスト的に従来の最高電圧を制限する手段に比べ有利である。

次に転写ローラ１０４についてさらに詳しく説明する。転写ローラ１０４は直径６ｍｍの金属のシャフトにセル径５０〜１５０μｍの導電性発泡体層を設けた弾性フォームローラを用い線圧数ｇｆ〜２０ｇｆ／ｍｍで潜像担持体１０１に被転写体１０７を介して安定に圧接させ潜像担持体１０１と略同周速で回転させる。さらに転写ローラ１０４は、トナーを付着しにくいことはいうまでもなく、潜像担持体１０１を汚染しないこと、粘着しにくいこと、摩耗しにくいこと、表面が均一かつ柔軟で潜像担持体１０１との接触が良好なこと等の特性を持つ。転写ローラ１０４の重要な物性である抵抗値は図３に示す以下の方法で測定する。ローラ２０１は両軸端に各５００ｇｆの荷重で金属ローラ２０２に押圧されており両ローラはプロセス速度と同一の周速度（本例では２４ｍｍ／ｓ）で回転する。ローラ２０１の軸と金属ローラ２０２との間に抵抗計２０３が接続されローラ２０１の抵抗を測定する。この種の半導電性部材の場合、抵抗が電流や環境に対して変化するため抵抗測定時の印加電流や環境の規定は重要である。我々は環境試験室に２４時間以上ローラを放置しその環境にローラが馴染んでから測定を行った。また、抵抗測定時の印加電流を実印時状態に近い定電流バイアスの設定電流Ｉ₁ （２．０μＡ）、設定電流Ｉ₁ の０．５倍のＩ_0.5 （１．０μＡ）、設定電流Ｉ₂ の２倍のＩ₂ （４．０μＡ）とし電流印加後２０秒間の測定値の平均を抵抗として採用する。各々の電流値で測定したときの抵抗をそれぞれＲ₁ 、Ｒ_0.5 、Ｒ₂ としＲ_0.5 ／Ｒ₂ をローラ抵抗の電流依存性とする。

図４に定電流バイアスの設定電流Ｉ₁ およびローラ抵抗をパラメータにとり転写試験をＬＬ環境下で行ない転写良好域および被転写体汚れ良好域を示した。印字パターンは潜像担持体の電位低下による被転写体両端部および裏面汚れにとって最も厳しい全面黒パターン（被転写体幅は２１６ｍｍ、黒部幅は２１０ｍｍ）を用いた。また、図４に示すローラ抵抗はＬＬ環境下で測定した。電流依存性（Ｒ_0.5 ／Ｒ₂ ）はいずれのローラも小さく１．０から１．５程度であった。図中ラインＡは転写良好域下限を示しこれ以下になると転写電界不足による転写不良となる。ラインＢは転写良好域上限を示しこれ以上になると転写電界過多による散り抜けが発生し転写不良となる。ラインＣは被転写体汚れ良好域でライン左側が汚れが発生しない領域である。ラインＡ、Ｂ、Ｃの囲む斜線部分がＬＬ環境において全てを満足する良好域である。この図から明かなようにＲ₁ が１×１０⁸ Ω以下のローラ抵抗では定電流バイアスの設定値により従来の最高電圧を制限する手段（図２中におけるＶlimit ）を設ける必要がある。具体的には図４中Ｒ₁ が１×１０⁷ Ωのローラで定電流バイアスの設定電流Ｉ₁ を２．０μＡとすると動作点がＤ点となるため被転写体汚れが発生する。よって最高電圧を１０００Ｖで制限することにより動作点がＥ点となり汚れが発生しない。このローラ抵抗で最高電圧を制限しない構成にするためには設定電流Ｉ₁ を１．５〜１．７μＡにする必要があることが図４からわかる。この電流範囲はバイアス印加手段や転写部材の製造仕様に高精度が要求される。一方１×１０⁸ Ω以上のローラ抵抗では転写が良好に行われるラインＡ〜Ｂの外側に被転写体汚れ良好域Ｃがあるため最高電圧を制限する必要がなく定電流電源の出力最大電圧まで出力可能である（図２中におけるＶmax ）。

また、定電流バイアスの設定電流Ｉ₁ は１．５〜２．５μＡと広くとることが可能でバイアス印加手段や転写部材の製造に自由度が増しコスト的に有利となる。しかしローラ抵抗は４×１０⁹ Ω以上となると必要な転写電圧が４０００Ｖを超えトランスが大型化、高コスト化するため好ましくない。したがってローラ抵抗の上限は４×１０⁹ Ωである。被転写体汚れ良好域が低抵抗転写ローラほど狭くラインＣのようになるのは低抵抗転写ローラは潜像担持体１０１と直接接触している部分に電流が集中して流れ電位低下をおこしやすいためと考えられる。この被転写体汚れ現象はＬＬ環境で顕著であるがその原因は帯電手段（図示せず）における帯電電位がＬＬ環境ではＮＮ、ＨＨ環境に比べ５０〜１００Ｖ程度低下するのと被転写体１０７が高抵抗となるため転写ローラと潜像担持体が直接接触している接触抵抗の低い部分へ電流が流れやすいためと考えられる。以上の結果からＬＬ環境でｌｏｇＲ₁ が８．０以上のローラは従来の最高電圧を制限する手段が必要ないことが明らかとなった。

さらに、ｌｏｇＲ₁ が８．３となるローラで電流依存性の異なるローラを評価した。定電流バイアスの設定値Ｉ₁ は被転写体汚れに対して厳しい２．５μＡとした。表１にその結果を示す。評価基準は以下の通りである。なお、転写ローラは発泡ウレタン＋イオン導電性材料を原材料とした電流依存性の小さいものをベースにカーボンを添加しその添加量、分散状態を変えることにより電流依存性を変化させた。

転写ニップ内の転写ローラ１０４と潜像担持体１０１が直接接触する低抵抗な部分に電流が集中すると電流依存性が大きい場合さらに抵抗が低下し潜像担持体の電位を低下させやすいため表１の結果になったと考えられる。

図５はＬＬ環境におけるＲ₁ 及び電流依存性をパラメータにとり図４、表１の結果を含む被転写体汚れの評価全てをプロットした図である。図中の○、△、×は表１の基準と同一である。図５からＲ₁ が１×１０⁸ Ω以上から良好域が存在し、さらにＲ₁ と電流依存性Ｒ_0.5 ／Ｒ₂ との関係を以下とする必要があることが判明した。

ｌｏｇ（Ｒ₁ ）≧ｌｏｇ（Ｒ_0.5 ／Ｒ₂ ）＋８．０
図６はＮＮ環境で製造ばらつきも含め最も抵抗の高い転写ローラ（５×１０⁸ Ω）を用い、また、ＨＨ環境で製造ばらつきも含め最も抵抗の低い転写ローラ（５×１０⁶ Ω）を用い、全面べた黒画像および幅１〜５ｍｍ程度の太線を含む印字率５％程度の画像について転写試験を行った結果である。図６中のＶ−Ｉ特性を四辺形で囲った箇所が良好域（実用可能な範囲）である。この良好域を通るように制限する最低電圧Ｖ_min および出力抵抗Ｒout を決める必要がある。図６より最低電圧を６００Ｖ以下にするとＮＮ環境で良好域が存在しない。よって制限する最低電圧Ｖ_min は６００Ｖとした。なお、図６中で全面べた黒画像の方が印字率５％画像より見かけの抵抗が高いがこれは反転現像では白地部分の電位が高いため転写ローラのバイアス値との差が大きく電流が流れやすいことが主要因である。表２にバイアス印加手段の出力抵抗をパラメータにとり転写試験を行った結果を示す。定電流バイアスの設定値Ｉ₁ は先に述べたように１．５〜２．５μＡのいずれでもよいが定電流電源の製造ばらつき（±０．２μＡ）を考慮し中央値の２．０μＡとした。

バイアス制御条件：定電流値Ｉ₁ ２．０μＡ、最低電圧Ｖ_min ６００Ｖ

出力抵抗Ｒout は１０ＭΩ以下であるとＨＨ環境でバイアス過多による画像メモリが２００ＭΩを超えるとバイアス不足による転写不良が発生することが明らかとなった。Ｒout １０ＭΩ以下では図６に示すようにＨＨ環境における動作点（電源の特性と転写Ｖ−Ｉ特性の交点）がＡ点となる。よって潜像担持体１０１に８μＡ程度の電流が流入するため帯電後の電位が所定の明部電位とならず画像メモリが発生する。Ｒout が２００ＭΩを超えると全面黒べた画像は動作点がＣ点で良好域内にあるため良好な転写がされるが印字率５％画像では動作点はＢ点となり転写バイアスが不足し転写不良をおこす。従来のように制限する最低電圧を実質的に定電圧とする構成（例えば表２中Ｒout ０．５ＭΩ）ではローラ抵抗の製造ばらつき、環境まで含めて良好な点はないことが明らかとなった。

本発明においては制限する最低電圧が電流が増すほど低電圧となる構成としたため転写前ガイド１０８および転写後ガイド１０９等の被転写体１０７と接触する部材の抵抗値は特に重要である。その理由を図７のＨＨ環境におけるＶ−Ｉ特性図を用いて説明する。印字パターンは印字率５％を用いた。バイアス印加手段１０５の定電流値Ｉ₁ は２．０μＡ、制限する最低電圧Ｖ_min は６００Ｖ、出力抵抗Ｒout は１０ＭΩとした。転写ガイド抵抗が１０⁷ Ω以下では転写ガイドを通じてリーク電流が増すため出力抵抗Ｒout の作用でバイアスが不足し動作点がＡからＢとなり転写不良をおこす。転写ガイド抵抗が１０⁷ Ω以上では動作点がＢからＥとなるため転写は良好となる。転写ガイド抵抗が１０⁹ Ω以上ではリーク電流がほとんどないのでより好ましい範囲は１０⁹ Ω以上である。

以上述べてきた構成で５万枚の耐久試験を行った結果が表３である。耐久試験はＮＮ環境下で行い環境試験は１万枚おきに行った。

長期にわたって環境によらず高品質を確保できることが確認された。５万枚後のＬＬ環境で多少品質が低下した理由は通電連続使用によりローラ抵抗が初期に比べ約３倍上昇し（２×１０⁹ Ω）その結果、ＬＬ環境においては電源保護回路の影響で電流が１μＡ程度しか流れず転写バイアスがやや不足したためであることがわかった。

本実施例中では、転写部材として転写ローラ１０４について述べてきたがローラ以外にもブラシ、ベルト等の回転可能部材やブレード等の固定部材を用いることも可能である。しかし、被転写体を安定して搬送し高品質な画像を得るためには回転可能転写部材が望ましい。

本実施例中に述べた定電流バイアスの設定値Ｉ₁ は潜像担持体の種類や感光層の膜厚、帯電手段（図示せず）による帯電電位、転写部材の長手方向の長さ、プロセス速度等で変わるのは自明であるので発明を限定するものではない。また、制限する最低電圧値Ｖ_min は転写部材の抵抗値の環境特性や製造ばらつき幅等により変わるのも自明であるので発明を限定するものではない。しかし本発明では比較的高抵抗の転写部材を用いるため図４からも明かなように出力最大電圧Ｖmax は少なくとも１２００Ｖ以上は必要である。

本発明に用いる転写部材としては実施例中に述べた弾性フォームローラ以外にもスキン付きの導電性発泡体を用いた単層の弾性導電性ローラや滲み出し防止層、抵抗調整層、保護層等設けた多層の弾性導電性ローラを用いても同等の効果を有することは勿論である。

（比較例１）
定電圧源から電流制限回路を介して所定の電圧が印加される転写ローラを備え転写ローラに印加される電圧が所定の電圧よりも低くなると前記電流制限回路のインピーダンスが略零となる構成の従来技術を用い、本発明のバイアス設定に近くなるようにバイアス設定し実施例と同様の耐久試験を行った。結果を表４に示す。

耐久試験によりＬＬ環境で品質が落ちる理由は先に述べたように転写ローラ抵抗が上昇するのが主要因である。図８を用いて説明する。比較例の初期（動作点Ａ）および実施例の初期（動作点Ｆ）から４万枚後（動作点Ｉ）までは転写電流が約１．５μＡ以上流れるため転写バイアスが充分で良好である。しかし、比較例の２万枚後（動作点Ｂ）から３万枚後（動作点Ｃ）および実施例の５万枚後（動作点Ｊ）は転写電流が１．０μＡ〜１．５μＡで転写バイアスが不足しやや転写不良となる。比較例の４万枚、５万枚後（動作点Ｄ、Ｅ）は転写電流が０．８μＡ以下しか流れないため著しく転写バイアスが不足し転写不良となる。

（比較例２）
比較例１の構成で実施例と同様の耐久性を確保するためには５万枚後の動作点を図８中Ｊになるようにする必要がある。そのためには図８中比較例２に示すように定電圧値４１００Ｖ、直列抵抗１４００ＭΩという構成となり高圧トランスおよび高抵抗素子のコストが高くなる、高抵抗素子周辺の絶縁対策部材等が必要でさらにコストが高くなるという弊害がある。

本発明の実施例における接触転写装置の断面概観図である。 バイアス印加手段の電圧−電流特性を示す図である。 転写部材の抵抗測定法を示す図である。 ローラ抵抗値をパラメータに転写する電圧ー電流特性上に転写良好域を示す図である。 転写部材の電流依存性Ｒ_0.5 ／Ｒ₂ と抵抗値Ｒ₁ をパラメータにとり良好域を示す図である。 ＮＮ環境で製造ばらつきを含め最も抵抗の高いローラとＨＨ環境で製造ばらつきを含め最も抵抗の低いローラの転写良好域を示す図である。 ＨＨ環境で転写ガイド抵抗と転写良好域の関係を示す図である。 実施例と比較例を比較説明する図である。

符号の説明

１０１…潜像担持体、１０４…転写ローラ、１０５…バイアス印加手段、１０６…トナー、１０７…被転写体、１０８…転写前ガイド、１０９…転写後ガイド、１１０…出力抵抗Ｒout

Claims (1)

1. 転写部材にバイアス印加手段により電界を形成し、潜像担持体上のトナーを被転写体に転移させる転写装置において、
   前記転写部材に印加されるバイアスが、あらかじめ設定された動作点（Ｖ_min 、Ｉ₁ ）を基準にして、予め設定された電圧値Ｖ_min 以上では予め設定された電流値Ｉ₁ の定電流であり、予め設定された電圧値Ｖ_min 以下になると電流が増加し、その増加とともに電圧値が減少するバイアスであり、かつ前記転写部材は、１０℃、１５％ＲＨの低温、低湿環境下での、電流値Ｉ₁ で測定時の抵抗Ｒ₁ （Ω）、前記電流値Ｉ₁ の０．５倍の電流値で測定時の抵抗Ｒ_0.5 （Ω）、前記電流値Ｉ₁ の２倍の電流値で測定時の抵抗Ｒ₂ （Ω）としたとき、
   ｌｏｇ（Ｒ₁ ）＞ｌｏｇ（Ｒ_0.5 ／Ｒ₂ ）＋８．０
   となるようにしたことを特徴とする接触転写装置。

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