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JP4391970B2 - 帯電装置およびそれを備えてなる画像形成装置 - Google Patents

帯電装置およびそれを備えてなる画像形成装置 Download PDF

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Description

この発明は、帯電装置およびそれを備えてなる電子写真方式の画像形成装置に関する。
近年、環境や健康に対する意識の高まりを背景に、電子写真方式の画像形成装置におけるオゾンレス化が重視されつつある。これに応えるために、接触帯電ローラ方式による帯電システムを用いた画像形成装置が市場に導入されつつある。特に、近年、高速機に対応するため、多量の画像形成を行った後でも帯電安定性・均一性が確保できる帯電装置が望まれている。
しかし、クリーニング後の感光体表面には、微小なトナーや外添剤等が残っており、これらが帯電ローラに付着して帯電の均一性を損なったり、感光体の傷を誘発したりすることがある。ここで、外添剤とは、流動性保持やトナー同士のブロッキング防止などの目的でトナーに付加されたSiO2(シリカ)やTiO2等からなる微小粒子のことをいう。外添剤の粒径は、10nm程度と非常に小さく、感光体表面への付着力が大きい。このため、感光体や帯電ローラの寿命を低下させ、ロングライフ化を妨げる原因になっている。
そこで、帯電ローラを用いる帯電装置において、非画像形成時に外添剤の帯電極性と同極性のバイアスを帯電ローラに印加して外添剤を感光体に戻すことによってクリーニングを行うものが知られている(例えば、特許文献1参照)。あるいは、帯電ローラに付着したトナーを機械的に除去するために、クリーニングローラとクリーニングブレードを設けるものが知られている(例えば、特許文献2参照)。さらに、回転ブラシを用いた帯電/クリーニング装置において、AC電圧を印加して感光体上のトナーを除去するものが知られている(例えば、特許文献3)
特開平11−52680号公報 特開平6−149012号公報 特開平4−142566号公報
しかし、非画像形成時に外添剤の帯電極性と同極性のバイアスを帯電ローラに印加して外添剤を感光体に戻すようにしても、逆帯電の外添剤は感光体に戻すことはできない。また、帯電ローラに付着したトナーを機械的に除去するようにクリーニングローラやクリーニングブレードを設けても、逆帯電のトナーや外添剤はクリーニングしきれない。さらに、回転ブラシを用いた帯電/クリーニング装置において、AC電圧を印加して感光体上のトナーを除去するようにした場合、回転ブラシでは構造的に感光体に傷をつけてしまう。また、ブラシにトナーが入り込むなどの理由から、トナーを感光体側に戻す効果が必ずしも得られるとは限らない。
この発明は、前述したような事情を考慮してなされたもので、帯電ローラの表面に付着した外添剤やトナーを効果的にクリーニングし、長期間に渡って帯電安定性および均一性が確保できる帯電装置を提供するものである。
この発明は、表面に静電潜像を形成する感光体と、前記感光体表面を帯電させるために前記感光体の表面に当接して回動する帯電ローラと、前記帯電ローラに帯電電圧を印加する第1電源と、前記帯電ローラをクリーニングするためのクリーニング電圧として交流電圧を前記帯電ローラに印加する第2電源と、前記静電潜像の形成時に前記帯電電圧を前記帯電ローラに印加し、前記帯電電圧の印加中を除く所定のタイミングで前記クリーニング電圧を前記帯電ローラに印加するように前記第1および第2電源を制御する電圧制御部とを備えることを特徴とする帯電装置を提供する。
この発明の帯電装置は、前記帯電ローラをクリーニングするためのクリーニング電圧として交流電圧を前記帯電ローラに印加する第2電源を備えるので、一旦帯電ローラの表面に付着するとその付着力が大きいために機械的な除去がむずかしい外添剤などの微小な粒子も、交流電圧の印加によって感光体に戻りやすくすることができる。この効果は、次のようにして得られるものと考えられる。帯電ローラに付着した外添剤などその粒子径が小さいために、静電気力に対してそれが付着する感光体もしくは帯電ローラとのファンデルワールス力(付着力)の影響が大きい。
ここで、外添剤の粒径の一例は10ナノメートル程度、帯電ローラの表面粗さの一例は、Rz=5マイクロメートルであり、感光体の表面粗さの一例は、Rz=0.1マイクロメートルである。感光体の方が帯電ローラよりも表面が滑らであるので、感光体への付着力が帯電ローラへの付着力よりも強い。しかし、一旦帯電ローラに付着した微小な粒子は、帯電ローラに対する付着力が大きく、帯電ローラから感光体へ電気的な吸引力を与えるように帯電ローラに直流電圧を印加しても、簡単に感光体側へ移動することがない。
ところが、帯電ローラに交流電圧を印加すると、帯電ローラ表面と感光体表面との間に+、−の電位差が交互に生じる。これによって、マイナスあるいはプラスに帯電した外添剤には粒子を振動させるような電気的吸引力が働く。この振動的な力のために、直流電圧を印加する場合に比べて粒子が付着力に打ち勝って感光体側に移りやすくなる。
一旦感光体側に付着すると、帯電ローラへの付着力よりも強い感光体への付着力が働くので、感光体表面に付着した粒子は帯電ローラ側に戻りにくい。さらに、帯電ローラ側から感光体側に戻った外添剤などの微小な粒子は、交流電圧の印加によってその帯電量が減衰しており、現像装置の磁気ブラシで回収されやすい。従って、帯電ローラに交流のクリーニング電圧を印加することによって、帯電ローラを効果的にクリーニングすることができる。
ここで、感光体は、有機感光体であってもよいがこれに限定されるものではない。
あるいは、この発明の帯電装置は、次の効果を有する。外添剤は基本的にマイナス帯電のものが多いが、逆極性(プラス帯電)のものも含まれる。この発明は、前記クリーニング電圧が交流電圧であるので、逆極性であっても帯電した外添剤に対して振動的な電気的吸引力が働き、これによって外添剤を感光体に戻すことができる。従って、その帯電極性にかかわらず外添剤を効果的にクリーニングすることができる。外添剤に係らず、逆極性に帯電した微小な粒子に対しては、同様の効果がある。引いては、帯電ローラや感光体の長寿命化を実現することができる。
前記帯電ローラ表面に圧接されて前記帯電ローラの表面をクリーニングするローラ・クリーニングブレードをさらに備えていてもよい。このようにすれば、交流のクリーニング電圧を印加することによって、外添剤などの微小な粒子のほとんどが感光体側へ戻るが、帯電ローラ表面に残った若干の粒子も、前記クリーニング電圧によって帯電ローラへの静電気的な吸引力が弱められた状態にある。また、クリーニング電圧の印加によって帯電ローラ表面およびその近傍の空気の振動が発生し、帯電ローラへの粒子の付着力がさらに小さくなっているものと思われる。微小粒子がこのような状態にあるときに、ローラ・クリーニングブレードによって帯電ローラ表面に残った微小粒子を機械的に除去することは容易である。従って、帯電ローラや感光体の長寿命化を実現することができる。
前記ローラ・クリーニングブレードが、帯電ローラの表面と離接可能に配置され、前記ローラ・クリーニングブレードを駆動して離接させるブレード駆動部と、前記ブレード駆動部の離接動作を制御する離接制御部とをさらに備えていてもよい。
さらに、前記離接制御部が、前記帯電ローラが停止しているときに前記ローラ・クリーニングブレードを前記帯電ローラの表面から離すように制御してもよい。このようにすれば、クリーニングブレードの圧接による帯電ローラ表面の変形が抑制されるので、帯電ローラのさらなる長寿命化を実現することができる。
前記ローラ・クリーニングブレードが、前記帯電ローラ表面への圧接方向に50〜200μmの厚さを有し、マイクロゴム硬度計による硬度の測定値が5〜60であってもよい。このようにすれば、ブレードを小さな押圧力で圧接させるだけで効果的にクリーニングができるので、帯電ローラを劣化させることがない。ブレードの材質としては、ウレタンゴム、ナイロン、ポリエステルなどを用いることができる。
前記感光体が円筒状の形状を有し、その中心軸が水平方向に配置され、前記帯電ローラが、前記中心軸を含む水平面より下側で前記感光体表面に当接するようにしてもよい。このようにすれば、ローラ・クリーニングブレードを配置するスペースを確保する設計的な自由度が広くなる。外添剤などの微小な粒子がローラ・クリーニングブレードから感光体表面へ落下したり飛散することによって感光体表面や機内が汚れたりすることがない。
前記クリーニング電圧が、正負のピーク電圧間の絶対値が100V〜1100Vであり、周波数が100〜2000Hzであってもよい。
また、この発明は、前述の帯電装置を備えてなる電子写真方式の画像形成装置を提供する。
以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。以下の説明により、この発明をよりよく理解することが可能であろう。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。
図1は、この発明の帯電装置の構成の例を示す説明図である。図1で、感光体13は、電子写真プロセスによって画像を形成するためのものであり、円筒状の形状を有している。感光体13は、矢印Aの方向に所定の速度で回転する。帯電ローラ1は、感光体13の表面に当接して矢印Bの方向に感光体と略等速度で回転するローラである。帯電ローラ1は、導電性支持体としての軸部1aを基体としてその外周面上に弾性層1bが形成され、この弾性層1b上に抵抗層1cが形成されている。軸部1aには、鉄、銅、ステンレス、アルミニウム、ニッケル等の金属材料の丸棒を用いることができる。さらに、防錆や耐傷性付与のために、これらの金属表面にメッキ処理を施してもよい。ただし、導電性を損なわないことが必要である。
弾性層1bは、ゴム等の弾性材料中に、カーボンブラック、グラファイト、導電性金属酸化物等の電子電導機構を有する導電剤、あるいはアルカリ金属塩や四級アンモニウム塩等のイオン電導機構を有する導電剤を適宜添加することによって形成される。
そして、体積抵抗が1010Ωcm未満の導電性を示すように調整されるのがよい。弾性層1bの弾性材料としては、例えば、天然ゴムや、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、シリコンゴム、ウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、ニトリルブタジエンゴム(NBR)およびクロロプレンゴム(CR)等の合成ゴム、さらには、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂等も挙げられる。
抵抗層1cは、弾性層1bに接して形成され、弾性層1b中に含有される軟化油や可塑剤等の帯電ローラ1表面へのブリードアウト(滲み出し)を防止するとともに、帯電ローラ2全体の電気抵抗を調整するために設けられる。
抵抗層1cを形成する材料としては、例えば、エピクロルヒドリンゴム、NBR、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、フッ素ゴム系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリブタジエン系熱可塑性エラストマー、エチレン酢酸ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、塩素化ポリエチレン系熱可塑性エラストマー等を挙げることができる。これらの材料は、単独で用いても、2種類以上の混合であっても、あるいは共重合体であってもよい。
抵抗層1cは、導電性または半導電性を有している必要がある。このため、上述した材料に、電子電導機構を有する導電剤(導電性カーボン、グラファイト、導電性金属酸化物、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄粉等)、あるいはイオン電導機構を有する導電剤(アルカリ金属塩、アンモニウム塩等)を適宜添加することによって形成される。この場合、所望の電気抵抗を得るために、上記各種導電剤を2種以上併用してもよい。ただし、環境変動や感光体1の汚染を考慮すると、電子電導機構を有する導電剤を用いることが好ましい。
図1に示すように、帯電ローラ1は、感光体13の中心軸を含む水平面より下側で感光体13の表面に接触している。
DC電源5は、帯電ローラの軸部1aに直流の帯電電圧を印加するための電源である。また、AC電源3は、帯電ローラの軸部1aに交流のクリーニング電圧を印加するための電源である。スイッチ7は、軸部1aへ印加される電圧源をAC電源3とDC電源5との間で切り替えるためのスイッチであり、例えば、高圧リレーなどの機械的な接点を有するスイッチで構成することができる。スイッチの切替は電圧制御部8によって制御される。
電圧制御部8は、たとえば、マイクロコンピュータとマイクロコンピュータが実行する制御プログラムを格納するROM、ワークエリアを提供するRAM、入出力回路で構成することができる。また、電圧制御部8は、DC電源5、AC電源3の各電源電圧のオン・オフを制御する。従って、例えば、スイッチ7がAC電源3と軸部1aとを接続する状態にあったとしても、AC電源3がオフしていれば、軸部1aにはクリーニング電圧は印加されない。DC電源5およびAC電源3の出力電圧値は、調整ボリュームで外部から調整された所定の電圧を発声するものであってもよいが、電圧制御部8からの制御信号に応じて、出力電圧の大きさを変えるように構成されていてもよい。
印加電圧制御8の前記マイクロコンピュータは、前述したAC電源3、DC電源5およびスイッチ7の制御のみを行うものであってもよいが、その他の制御、例えば感光体13の表面に画像を形成する電子写真プロセスの制御と兼用してもよい。
帯電ローラ1の表面には、ローラ・クリーニングブレード9が設けられ、帯電ローラ1の表面をクリーニングできるように配置されている。ローラ・クリーニングブレード9は、帯電ローラ1の表面と離接可能に構成されている。回収部11は、ローラ・クリーニングブレード9によってクリーニングされた外添剤やトナーなどの微小粒子を収容する容器である。
感光体13の周囲には、帯電ローラ1のほかに露光部15、現像部17、転写ベルト19、除電ランプ20、クリーナー21が配置されている。これらの各部は、感光体13の表面に電子写真プロセスによって画像を形成するためのものである。以下に、画像形成のプロセスの概略を説明する。回動する感光体13の表面は、帯電ローラ1によって一様に帯電される。このとき、帯電ローラ1の軸部1aは、スイッチ7を介してDC電源5に接続され、DC電源5からの帯電電圧が印加される。
帯電された感光体13の表面は、次に露光部15を通過するとき、形成する画像の濃淡に応じてその表面が露光される。露光は、例えば、画素に対応してオン・オフレーザー光をポリゴンミラーで偏向させて照射するレーザー走査ユニットを用いることができる。あるいは、画素のピッチに対応してアレイ状に配置されたLEDヘッドを用いることもできる。
感光体1は、露光部15を通過して露光されることにより、その表面に画像の濃淡に応じた電位分布である静電潜像が形成される。そして、現像部17を通過する際に電位分布に応じた量の帯電トナーが表面に付着する。現像部17は、周知の磁気ブラシ現像方式によって現像される。
現像部17を通過して表面にトナーを担持した感光体13は、次に転写ベルト19と当接する。転写ベルト19の背面には転写ローラ18が配置されており、感光体13の表面に付着した帯電トナーを電気的に吸引する極性の電圧が印加される。これによって、感光体13表面の帯電トナーは転写ベルト19側に転写される。転写ベルト19条に転写されたトナーは、その後、図示しない用紙送り機構によって搬送され、転写ベルト19と当接する用紙上に転写される。一方、転写ベルト19にトナーを転写した後の感光体13は、除電ランプ20によってその表面に光が照射されて全面が除電される。そして、クリーナー21を通過して表面に残ったトナーが回収される。
その後、帯電ローラ1を通過して、再び電子写真プロセスが繰り返される。
図2は、図1の帯電ローラ1に対してローラ・クリーニングブレード9を離接する機構の概要を示す説明図である。図2に示すように、ローラ・クリーニングブレード9は、支点Pを中心に回動するように取り付けられており、図示しないスプリングによって当接部が帯電ローラ1から離れる方向に力が加えられている。ソレノイド12は、離接制御部14によってコイルへの通電が制御される。ソレノイド12のアクチュエータは、リンク材16を介してローラ・クリーニングブレード9に接続されており、離接制御部14が、ソレノイド12のコイルに通電すると、アクチュエータがソレノイド12に引き込まれ、リンク材16の先に接続されたローラ・クリーニングブレード9が帯電ローラ1に圧接する。離接制御部14は、帯電ローラ1が回転しているときにはソレノイド12をオンしてローラ・クリーニングブレード9を帯電ローラ1に圧接させて帯電ローラ1の表面をクリーニングさせ、帯電ローラ1が停止しているときはソレノイド12をオフして帯電ローラ1の表面からローラ・クリーニングブレード9を離す。離接制御部14は、電圧制御部8の前記マイクロコンピュータが離接制御のプログラムを実行することによって実現されてもよい。また、離接制御部14は、前述の電子写真プロセスに係る各部の動作を制御する制御部から、感光体13の回転/停止の情報を取得する。帯電ローラ1は、感光体13の回転/停止に従って回動する。従って、感光体13の回転/停止の情報を取得することによって、帯電ローラ1の回動/停止のタイミングがわかり、帯電ローラ1の回動/停止に応じてローラ・クリーニングブレード9の離接を制御することができる。
(実験例1)
図1に示す帯電装置を用いて、クリーニング電圧の好適な出力電圧および周波数の範囲を検討した。実験は、画像形成装置を用いて実際にコピー動作を行って画像を形成し、シングルコピーを出力するごとに1秒間クリーニング電圧を帯電ローラ1に印加した。そして、5000枚のシングルコピーを繰り返した後に、帯電ローラ表面の汚れを目視で観察し、さらにコピー画像を目視で観察して評価した。評価は、帯電ローラ1に各電圧、周波数のクリーニング電圧を印加した場合の効果の程度を、全くクリーニング電圧を印加しない場合と比較して3段階に分類することによって行った。評価の基準は、以下のようなものである。
実験に用いた帯電ローラは導電性支持体1aのステンレス製Φ8シャフト上にNBRにカーボンブラックとアルカリ金属塩を添加した厚さ3mmの弾性層1b上にナイロンにカーボンブラックを添加し、厚さ20μmにコーティングされた抵抗層1cから構成される表面粗さRz =5μm、106ΩcmのΦ14のローラである。また、感光体は厚さ1.5mmのアルミ基体上に下引き層(UCL)1μm、電荷発生層(CGL)0.5μm、電荷輸送層(CTL)25μmから構成されるΦ30の有機系感光体(OPC)である。現像剤は2成分系でキャリアはニッケルマンガンにシリコーンコーティングされた粒径50μmのもので、トナーはポリエステルで粒径6.5μmのマイナス帯電のものであり、本2成分現像剤による磁気ブラシ現像方式を用いた。そして帯電ローラには−1300Vの電圧を印加し、感光体表面電位−600Vが得られた状態で帯電ローラのクリーニングはAC印加のみで評価を行った。
評価結果を次の表1に示す。
Figure 0004391970
ここで、Vppは、AC電圧の正負のピーク電圧の差の絶対値である。実験は、Vppが80V〜1300Vの範囲、周波数が80Hz〜2200Hzの範囲でおこなった。表1に示すように、好適なクリーニング電圧の条件は、Vppが80〜1200Vかつ周波数が100〜2000Hzの範囲で効果が認められ、好適な範囲はVppが100〜1000Vかつ周波数が100〜2000Hzの範囲である。しかし、帯電ローラと感光体との電位差が−550〜−600V程度よりも大きくなると空中放電が始まる。従って、放電による感光体表面あるいは帯電ローラ表面のダメージを考慮すると、より好適な範囲はVppが100〜1000Vかつ周波数が100〜2000Hzの範囲である。
(実験例2)
次に、ローラ・クリーニングブレード9の好適な条件について検討した。実験は、画像形成装置に図2に示す帯電ローラのクリーニング機構を付加した装置を用いて実際にコピー動作を行って画像を形成し、シングルコピーを出力するごとに1秒間クリーニング電圧を帯電ローラ1に印加した。そして、10000枚のシングルコピーを繰り返した後に、帯電ローラ表面の汚れを目視で観察し、さらにコピー画像を目視で観察して評価した。評価は、帯電ローラ1に各電圧、周波数のクリーニング電圧を印加した場合の効果の程度を、全くクリーニング電圧を印加しない場合と比較して3段階に分類することによって行った。評価の基準は、以下のようなものである。
帯電ローラのクリーニング電圧の条件はVpp500Vで1000Hzとした。
評価結果を次の表2に示す。評価基準は、表1と同様である。
Figure 0004391970
ここで、マイクロ硬度は、高分子計器株式会社製のマイクロゴム硬度計(製品型名:MD−1 capa)を用いて硬度の異なるローラ・クリーニングブレード9の材質を測定した値である。また、厚みは、ローラ・クリーニングブレード9が帯電ローラ1に圧接する方向の厚みである。ローラ・クリーニングブレードの材質は、ウレタンゴムである。実験は、硬度が3〜65、厚みが40〜210μmの範囲でおこなった。表2に示すように、好適なクリーニング電圧の条件は、硬度3〜65かつ厚みが50〜200μmの範囲でブレードの付加による効果が認められ、好適な範囲は硬度が5〜60かつ厚みが50〜200μmの範囲である。
最後に、前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得ることは明らかである。そのような変形例は、この発明の特徴及び範囲に属さないと解釈されるべきものではない。本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更とが含まれることが意図される。
この発明の帯電装置の構成の例を示す説明図である。 図1の帯電ローラ1に対してローラ・クリーニングブレード9を離接する機構の概要を示す説明図である。
符号の説明
1 帯電ローラ
1a 軸部
1b 弾性層
1c 抵抗層
3 AC電源
5 DC電源
7 スイッチ
8 電圧制御部
9 ローラ・クリーニングブレード
12 ソレノイド
13 感光体
14 離接制御部
15 露光部
17 現像部
19 転写ベルト
20 除電ランプ
21 クリーナー

Claims (8)

  1. 表面に静電潜像を形成する感光体と、
    前記感光体表面を帯電させるために前記感光体の表面に当接して回動する帯電ローラと、前記帯電ローラに帯電電圧を印加する第1電源と、
    前記帯電ローラをクリーニングするためのクリーニング電圧として交流電圧を前記帯電ローラに印加する第2電源と、
    前記静電潜像の形成時に前記帯電電圧を前記帯電ローラに印加し、前記帯電電圧の印加中を除く所定のタイミングで前記クリーニング電圧を前記帯電ローラに印加するように前記第1および第2電源を制御する電圧制御部と
    前記帯電ローラ表面に圧接されて前記帯電ローラの表面をクリーニングするローラ・クリーニングブレードとを備え
    前記帯電ローラは、軸部材、前記軸部材の外周上に形成される弾性層および前記弾性層の外周を覆う抵抗層からなり、
    前記ローラ・クリーニングブレードは、その材質がウレタンゴムであり、前記帯電ローラ表面への圧接方向に50〜200μmの厚さを有し、マイクロゴム硬度計による硬度の測定値が5〜60であることを特徴とする帯電装置。
  2. 前記ローラ・クリーニングブレードが、帯電ローラの表面と離接可能に配置され、
    前記ローラ・クリーニングブレードを駆動して離接させるブレード駆動部と、
    前記ブレード駆動部の離接動作を制御する離接制御部とをさらに備える請求項記載の帯電装置。
  3. 前記離接制御部が、前記帯電ローラが停止しているときに前記ローラ・クリーニングブレードを前記帯電ローラの表面から離すように制御する請求項記載の帯電装置。
  4. 前記感光体が円筒状の形状を有し、その中心軸が水平方向に配置され、
    前記帯電ローラが、前記中心軸を含む水平面より下側で前記感光体表面に当接する請求項1記載の帯電装置。
  5. 前記クリーニング電圧が、
    正負のピーク電圧間の絶対値が100V〜1100Vであり、
    周波数が100〜2000Hzである請求項1記載の帯電装置。
  6. 前記帯電ローラは、その表面粗さが5マイクロメートルである請求項1に記載の帯電装置。
  7. 請求項1〜の何れか一つに記載の帯電装置を備えてなる電子写真方式の画像形成装置。
  8. 画像形成に用いられるトナーは、トナーバインダの材質がポリエステル樹脂であり、平均粒径が6.5マイクロメートルである請求項7に記載の画像形成装置。
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