JP4654810B2 - クリーニング装置、プロセスユニット及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、クリーニング装置、特に、電子写真方式の複写機やプリンタなどで感光体や中間転写体などの像担持体上のトナーなどの残留物を回収するためのクリーニング装置、該装置を備えたプロセスユニット、及び、該装置又はプロセスユニットを備えた画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式による画像形成装置では、感光体ドラムの表面に帯電、画像露光、トナーによる現像を施し、紙などの転写材へトナー像を転写し、あるいは、感光体ドラムから中間転写体へトナー像を転写して合成した後に紙などの転写材へ合成トナー像を転写し、その後トナー像を定着するといった工程を経て転写材上にトナー画像を形成している。

ところで、以上の画像形成プロセスにおいて、感光体ドラムあるいは中間転写体などの像担持体から残留トナーを清掃するためのクリーニング装置を設ける必要がある。従来では、ゴム製のブレードを像担持体表面に当接させる方式が一般的に用いられていた。しかし、ブレード方式では、トナーや転写材である紙から分離した様々な添加剤（微粒子）までも除去することは困難で、添加剤がフィルミング現象などを生じて画像不良が発生するという問題点があった。また、微粒子を除去するためにブレードの当接力や当接角を高く設定すると、像担持体との摩擦力が高くなり、ブレードがまくれたり、ブレードのエッジが傷み、クリーニング不良、画像不良を生じてしまう。

そこで、特許文献１には、クリーニング手段としてブレードと、補助手段として回転ブラシを配置し、ブレードでは除去しきれない微粒子やオゾン、活性酸素などによる酸化物などの付着物を回転ブラシで除去するクリーニング装置が開示されている。しかし、このクリーニング装置ではブレードと回転ブラシとを必要とするため、コスト的に非常に不利である。

また、特許文献２には、バイアス電流を印加された回転ブラシと該回転ブラシへ搬送される直前でトナーの帯電極性を調整する導電ブラシとを組み合わせたクリーニング装置が開示されている。バイアス電流を印加した回転ブラシを用いると、ブレードによる不具合を生じることなく、微粒子までも除去することが可能である。

しかしながら、特許文献１，２のような回転ブラシは比較的硬く、像担持体に対する当接力（換言すれば、残留物に対する掻取り力）が必要以上に強く、これでは像担持体にダメージを与えることになる。特に、中間転写ベルトに適用すると、該ベルトは樹脂を主成分としているため、ダメージが大きくなる。一方、当接力が弱すぎると残留物の除去効果が小さく、画像不良を招来してしまう。回転ブラシの当接条件を決める因子は数多くあり、従来そのような適正条件は解明されていなかった。
特開２００２−１８２５３６号公報 特開２００４−３１００６０号公報

そこで、本発明の目的は、長期的に安定して像担持体上での残留物を清掃することができ、かつ、像担持体へのダメージを極力抑制することのできるクリーニング装置、プロセスユニット及び画像形成装置を提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明は、一方向に移動する像担持体の表面に接触した状態で回転駆動される導電性を有するクリーニングブラシと、該クリーニングブラシにバイアス電流を印加するバイアス印加手段とを備え、像担持体上の残留物をクリーニングブラシで捕集するクリーニング装置において、クリーニングブラシの像担持体上の残留物に対する掻取り力Ｆが以下の条件を満足すること、
０．８≦Ｆ≦８．５
但し、Ｆ＝２ｙＥＩＤ／Ｌ²
ｙ＝√｛Ｌ²−（Ｌ−Δｕ）²｝
Ｉ＝πｄ⁴／６４
ｙ＝ブラシ繊維たわみ量（ｍ）
Ｅ＝ブラシ繊維ヤング率（Ｎ／ｍ²）
Ｉ＝ブラシ繊維断面２次モーメント
Ｄ＝ブラシ繊維密度（本／ｍ²）
Ｌ＝ブラシ繊維長さ（ｍ）
Δｕ＝ブラシ繊維食込み量（ｍ）
ｄ＝ブラシ繊維直径（ｍ）
を特徴とする。

本発明に係るクリーニング装置においては、クリーニングブラシにバイアス電流を印加することにより残留トナーのみならず微粒子の残留物をも効果的に清掃することが可能である。しかも、クリーニングブラシによる残留物に対する掻取り力Ｆを前記条件式を満足するように設定したため、像担持体へのダメージを極力抑制して長期的に安定した清掃能力を発揮することができる。また、ブレード方式での不具合を生じないことは勿論、低コストでの製造が可能である。そして、本発明に係るクリーニング装置は中間転写ベルトに対して効果的に用いることができる。

本発明に係るプロセスユニットは前記クリーニング装置を備えたことを特徴とする。また、本発明に係る画像形成装置は前記クリーニング装置又は前記プロセスユニットを備えたことを特徴とする。

以下、本発明に係るクリーニング装置、プロセスユニット及び画像形成装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。

（画像形成装置の概略構成）
図１に示す画像形成装置１は、電子写真方式によるカラープリンタであって、いわゆるタンデム式で４色の画像を合成するように構成したものである。

その概略を説明すると、感光体ドラム２１、現像装置２２、１次転写ローラ２３、図示しない帯電装置、画像露光装置などを含むイエロー、マゼンタ、シアン及びブラックの画像を形成するプリントヘッド２０（２０Ｙ，２０Ｍ，２０Ｃ，２０Ｋ）が中間転写ベルト１０の直下に並置されている。各プリントヘッド２０において感光体ドラム２１上にトナー画像を形成するプロセスは周知であり、その説明は省略する。

中間転写ベルト１０は駆動ローラ１１及び支持ローラ１２，１３によって矢印Ａ方向に回転駆動され、駆動ローラ１１に対して中間転写ベルト１０を介して対向する部分（２次転写部１４）には転写ローラ１５が配置されている。

画像形成装置１の下段には、積載されている用紙を１枚ずつ給紙する自動給紙部（図示せず）が設置されている。また、２次転写部１４の直上にはトナーの定着装置（図示せず）が設置されている。

各感光体ドラム２１上に形成された色別のトナー画像は矢印Ａ方向に回転駆動される中間転写ベルト１０上に順次１次転写され、４色の画像が合成される。一方、用紙は１枚ずつ矢印Ｂ方向から給紙され、２次転写部１４で中間転写ベルト１０と転写ローラ１５とに挟着されて合成画像が２次転写される。その後、用紙は定着装置でトナーの加熱定着が施され、図示しないトレイ上に排出される。

ここで、各現像装置２２に収容されているトナーは例えば負極性に帯電されており、１次転写ローラ２３からの正極性の電界印加にて中間転写ベルト１０に転写され、さらに、２次転写ローラ１５からの正極性の電界印加にて用紙に転写される。中間転写ベルト１０上での残留トナーや残留微粒子は以下に説明するクリーニング装置３０にて清掃される。

画像形成装置１を構成する前記各装置は、交換・調整を容易にするために画像形成装置１の本体に対して着脱可能なプロセスユニットとして構成されていることが好ましい。特に、本発明に係るクリーニング装置は、中間転写ベルト１０と一体に構成されたプロセスユニットであることが好ましい。クリーニング装置は、それ以外に、感光体ドラム２１をクリーニングするために、感光体ドラム２１と現像装置２２を含むユニットとして構成されていてもよい。

（クリーニング装置）
クリーニング装置３０は、図１及び図２に示すように、支持ローラ１３に対向する部分で中間転写ベルト１０の表面に接触した状態で矢印Ｃ方向に回転駆動される導電性を有するクリーニングブラシ３１と、支持ローラ１２，１３の間で中間転写ベルト１０の表面に接触する導電性を有する導電ブラシ３５と、クリーニングブラシ３１に接触した状態で同方向（矢印Ｃ）に回転駆動される導電性を有する回収ローラ３２と、該回収ローラ３２に当接する掻取り板３３とで構成されている。

また、クリーニングブラシ３１には定電流直流電源３６が接続され、導電ブラシ３５は接地されている。クリーニングブラシ３１に対しては直流電源３６から正極性の電荷が注入され、この電荷はさらに中間転写ベルト１０を介して導電ブラシ３５へも流れ、グランドに落とされる。

中間転写ベルト１０上の残留トナーはその大部分が正規極性である負極性に帯電しているが、帯電量の不足しているもの、逆極性に帯電しているものも多く残存している。さらに、中間転写ベルト１０上には、トナーから離脱した添加剤、紙粉などの微粒子が付着している。これらのトナーや微粒子などの残留物は、まず、導電ブラシ３５を通過することで帯電極性を負極性に調整され、正極性の電荷が注入されているクリーニングブラシ３１にて捕集される。

クリーニングブラシ３１に捕集されたトナーなどの残留物は、正極性の電荷が注入されている回収ローラ３２の外周面に付着し、さらに、掻取り板３３にて回収ローラ３２の外周面から掻き取られ、回収部３７に落下する。回収部３７に落下した残留物は搬送スクリュー３８の回転に伴って図示しない廃棄ボトルに回収される。

次に、クリーニング装置３０の構成及びクリーニングブラシ３１の掻取り力Ｆについて説明する。

クリーニングブラシ３１は、パイプ状（又は中実状）の芯金に導電性繊維を導電性基布に織り込んだものを巻き付け、接着したもので、中間転写ベルト１０の幅寸法に等しい軸方向長さを有している。芯金は金属材からなり、バイアス電流はこの芯金を介してブラシ繊維に印加してもよい。ブラシ３１の回転方向Ｃは中間転写ベルト１０の移動に対向する方向であり、ベルト１０との周速比は通常１以上に設定されている。この周速比が大きすぎるとブラシ繊維の倒れを促進してしまい、好ましくはない。また、ブラシ３１の接触食込み量は０．５ｍｍ以上に設定されているが、この食込み量も大きすぎると回転と停止によるブラシ繊維の倒れを促進してしまう。

導電性のブラシ繊維は、ポリアミド、ポリエステル、アクリル、レーヨンなどの樹脂にカーボンなどの導電性粒子を分散させたものである。ブラシ繊維としては、原糸径１〜１０Ｄ、原糸密度５０〜４５０ｋＦ／ｉｎｃｈ²、原糸抵抗１×１０³Ω以上のものを好適に用いることができる。

バイアス電流は、前述の如く、回収ローラ３２から印加されるが、掻取り板３３が導電性材料からなる場合は、該掻取り板３３から印加してもよい。定電流又は定電圧のいずれであってもよく、画像形成装置１のシステム全体に対して最適な方式を選択すればよい。また、バイアス電流の印加点も、回収ローラ３２、クリーニングブラシ３１の芯金、導電ブラシ３５、中間転写ベルト１０の基層又は支持ローラ１２，１３であってもよく、画像形成装置１にとって最適な印加点とバイアス電流値を選択すればよい。

像担持体上の残留物をバイアス電流を印加されたクリーニングブラシで清掃する場合、まず、ブラシ繊維の機械的な掻取り力によって、像担持体上にファンデルワールス力やクーロン力で付着した残留物が引き剥がされる。次に、ブラシ繊維に印加されるバイアス電流にて発生する電気的な吸着力によって残留物がブラシ繊維に吸着する。このため、ブラシ繊維の機械的な掻取り力を適正条件に設定することにより、像担持体上の残留物を長期に安定して良好に除去でき、かつ、像担持体へのダメージを極力抑制することができる。

ここで、前記クリーニングブラシ３１の掻取り力Ｆについて図３及び図４を参照して考察する。図３において、４１は芯金、４２は基布、４３はブラシ繊維である。

ブラシ繊維４３の１フィラメント当たりの掻取り力は、１フィラメントのモーメント力により発生していると考えられるので、曲げモーメントＭｏとして求めることができる。
Ｍｏ＝２ｙＥＩ／Ｌ²

ブラシ繊維４３の断面形状を円形とすると、断面２次モーメントＩは、
Ｉ＝πｄ⁴／６４

ここで、
ｙ＝ブラシ繊維たわみ量（ｍ）
Ｅ＝ブラシ繊維ヤング率（Ｎ／ｍ²）
Ｉ＝ブラシ繊維断面２次モーメント
Ｄ＝ブラシ繊維密度（本／ｍ²）
Ｌ＝ブラシ繊維長さ（ｍ）
Δｕ＝ブラシ繊維食込み量（ｍ）
ｄ＝ブラシ繊維直径（ｍ）
とする。

ブラシ繊維４３は中間転写ベルト１０に当接させると２次曲線状に湾曲するため、そのたわみ量ｙは計算上の煩雑さを避け、以下のように三角関数にて簡略化し、近似値として求めることとする（図４参照）。
ｙ＝√｛Ｌ²−（Ｌ−Δｕ）²｝

従って、クリーニングブラシ３１の掻取り力Ｆは、１フィラメント当たりの曲げモーメントＭｏにブラシ繊維密度Ｄを乗じたものに比例すると考えられる。
Ｆ＝Ｍｏ×Ｄ＝２ｙＥＩＤ／Ｌ²

本発明者らの実験によると、掻取り力Ｆが０．８未満であると、機械的な掻取り力が不足し、特に高湿下ではトナーの清掃不良が発生し、画像不良を引き起こした。また、掻取り力Ｆが８．５を超えると、機械的な掻取り力が強くなりすぎ、中間転写ベルト１０に傷が発生し、画像不良を引き起こした。このため、クリーニングブラシ３１の掻取り力Ｆは、０．８≦Ｆ≦８．５の範囲が好ましい。より好ましい当接条件は、様々な環境下での耐久性に鑑み、１．０≦Ｆ≦６．０の範囲であり、さらに好ましくは２．０≦Ｆ≦６．０の範囲である。

ちなみに、中間転写ベルト１０は、耐熱性の高い材料からなる基材の表面に、トナー剥離性の高い表面層を設けたもので、表面は平滑に仕上げられている。例えば、基材としては、カーボンブラックなどの導電性材料が添加されたポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどを用いることができる。表面層としては、シリコン樹脂やフッ素樹脂などを用いることができる。また、駆動ローラ１１や支持ローラ１２，１３などに巻きかけられて循環移動可能な柔軟性を有しつつ、クリーニングブラシなどと接触しながらの使用に耐え得る硬さを有しており、ユニバーサル硬さが１６０〜２２０であることが好ましい。以下に説明する評価実験で用いられた中間転写ベルトは、ポリイミド製であり、ユニバーサル硬さは１９３であった。

以下に示す表１，２に本発明に係るクリーニング装置に使用されるブラシ２〜９として具体的な数値を示す。なお、ブラシ１，１０は比較例である。また、図５に本発明者らが実験的に行ったクリーニング性能の評価結果を示す。表１，２において、ブラシ繊維Ｔ１とはポリアミド樹脂にカーボンブラックを分散させた繊維であり、ブラシ繊維Ｔ２とはポリエステル樹脂にカーボンブラックを分散させた繊維である。

クリーニング性能の評価は、画像形成装置としてＢｉｚｈｕｂＣ４５０（コニカミノルタビジネステクノロジーズ社製）に図２に示したクリーニング装置３０を搭載したものを用いた。具体的には、ブルーのベタ画像を形成し、中間転写ベルト上の２次転写後の残留トナーを、クリーニング電流をそれぞれ５，１０，２０μＡに設定した条件でクリーニングし、クリーニング後の色差ΔＥを測定した。色差測定には分光測色計ＣＭ−２００２（コニカミノルタセンシング社製）を用いた。

色差ΔＥの測定は、中間転写ベルト上の残留トナーを透明テープで採取し、このテープ上のトナーについて行った。また、クリーニング前の２次転写後の残留トナーの色差ΔＥｉが６０になるように２次転写電流を調整した。

クリーニング性能の評価は、クリーニングによるトナー量の減少の度合いを見るために、クリーニング前の色差に対するクリーニング後の色差、即ち、ΔＥ／ΔＥｉの値（図５の縦軸参照）を用いた。クリーニング性能の評価において、クリーニング後の色差ΔＥがクリーニング前の色差ΔＥｉの１％以下、即ち、ΔＥ／ΔＥｉ≦０．０１であれば良好にクリーニングできているとみなせる。そして、評価実験の後、中間転写ベルトを目視で確認するとともに、ハーフトーン画像を形成して画像評価を行った。

図５に示すように、クリーニング電流の電流値に拘わらずＦ値が０．８〜８．５の領域でΔＥ／ΔＥｉの値が０．０１以下となった。なお、図５には図示していないが、クリーニング電流を印加しない場合には、測定を行ったＦ値の全ての領域でΔＥ／ΔＥｉの値が０．０１よりも大きくなった。

また、クリーニング性能の評価実験の後の目視評価では、ブラシ１０（表２参照）の場合のみ中間転写ベルト１０上に傷が見られ、ハーフトーン画像を形成したところ傷部分の画像が白く抜けた。

（従来例での掻取り力）
ここで、前記特許文献１に記載の回転ブラシの当接条件１，２を示すと以下のとおりであり、当接条件１での掻取り力Ｆは３０．５、当接条件２での掻取り力Ｆは９．２となる。

（当接条件１：Ｆ＝３０．５）
ヤング率Ｅ：６．５×１０⁹（Ｎ／ｍ²）
密度Ｄ：１．００×１０⁸（本／ｍ²）
長さＬ：４．５×１０^-3（ｍ）
食込み量Δｕ：１．０×１０^-3（ｍ）
直径ｄ：４３×１０^-6（ｍ）

（当接条件２：Ｆ＝９．２）
ヤング率Ｅ：６．５×１０⁹（Ｎ／ｍ²）
密度Ｄ：１．６７×１０⁸（本／ｍ²）
長さＬ：４．５×１０^-3（ｍ）
食込み量Δｕ：１．０×１０^-3（ｍ）
直径ｄ：２８×１０^-6（ｍ）

前記当接条件１，２に示した条件では掻取り力Ｆがかなり強く設定されている。従来例では、回転ブラシにバイアス電流が印加されず、ブラシの機械的な掻取り力でのみ清掃する構成であることや、清掃の対象物が中間転写ベルトよりも硬度の高い感光体ドラムであると考えられる。

（他の実施例）
なお、本発明に係るクリーニング装置、プロセスユニット及び画像形成装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

例えば、本発明は前記実施例に示したタンデム式のカラープリンタに限らず、モノクロプリンタやカラー／モノクロ複写機、ファクシミリなど種々の画像形成装置に適用することができる。また、像担持体としてはベルト状、ローラ状などのいずれであってもよく、本発明をプリントヘッド２０の感光体ドラム２１のクリーニング装置として適用してもよい。

本発明に係るクリーニング装置を備えた画像形成装置を示す概略構成図である。 前記クリーニング装置の要部拡大図である。 クリーニングブラシの当接条件を示すための説明図である。 クリーニングブラシの当接条件を示すための説明図である。 クリーニング性能の評価を示すグラフである。

符号の説明

１…画像形成装置
１０…中間転写ベルト
１４…２次転写部
３０…クリーニング装置
３１…クリーニングブラシ
３２…回収ローラ
３５…導電ブラシ
３６…直流電源

Claims (4)

1. 一方向に移動する像担持体の表面に接触した状態で回転駆動される導電性を有するクリーニングブラシと、該クリーニングブラシにバイアス電流を印加するバイアス印加手段とを備え、
   前記像担持体上の残留物を前記クリーニングブラシで捕集するクリーニング装置において、
   前記クリーニングブラシの前記像担持体上の残留物に対する掻取り力Ｆが以下の条件を満足すること、
   ０．８≦Ｆ≦８．５
   但し、Ｆ＝２ｙＥＩＤ／Ｌ²
   ｙ＝√｛Ｌ²−（Ｌ−Δｕ）²｝
   Ｉ＝πｄ⁴／６４
   ｙ＝ブラシ繊維たわみ量（ｍ）
   Ｅ＝ブラシ繊維ヤング率（Ｎ／ｍ²）
   Ｉ＝ブラシ繊維断面２次モーメント
   Ｄ＝ブラシ繊維密度（本／ｍ²）
   Ｌ＝ブラシ繊維長さ（ｍ）
   Δｕ＝ブラシ繊維食込み量（ｍ）
   ｄ＝ブラシ繊維直径（ｍ）
   を特徴とするクリーニング装置。
2. 前記像担持体は中間転写ベルトであることを特徴とする請求項１に記載のクリーニング装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のクリーニング装置を備え、画像形成装置に着脱可能であることを特徴とするプロセスユニット。
4. 請求項１又は請求項２に記載のクリーニング装置、又は、請求項３に記載のプロセスユニットを備えたことを特徴とする画像形成装置。

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