以下、図を参照して実施例を含む本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置の全体構成図である。図1を用いて、電子写真方式のカラープリンタ(以下、「プリンタ本体」という。)500について説明する。本発明に係る画像形成装置はプリンタに限定するものではなく、複写機、ファクシミリの単体、あるいは、プリンタ、複写機、ファクシミリ、スキャナなどのうち、少なくとも2つ以上の機能を備えた複合機であってもよい。
プリンタ本体500の基本的な構成について説明する。図1に示すように、プリンタ本体500は、イエロー(Y)、マゼンダ(M)、シアン(C)、ブラック(K)のトナー像を形成するための4つの画像形成ユニット1(Y、M、C、K)を備える。またプリンタ本体500は、転写装置としての転写ユニット30と、露光手段としての光書込ユニット80と、定着装置90と、給紙カセット100と、レジストローラ対101とを備える。
4つの画像形成ユニット1(Y、M、C、K)は、紛体であり現像剤として互いに異なる色のY、M、C、Kのトナーを用いるが、それ以外は同様の構成である。4つの画像形成ユニット1(Y、M、C、K)は、画像形成装置本体としてのプリンタ本体500に対して着脱自在に設けられており、寿命到達時に交換可能である。
図2は、本発明の一実施形態に係る作像部の構成図である。図2は、4つの画像形成ユニット1(Y、M、C、K)の内、一つの拡大概略構成図である。4つの画像形成ユニット1(Y、M、C、K)は、使用するトナーの色が異なる点以外は、同様の構成を備えているため、使用するトナーの色を示す添え字(Y、M、C、K)を省略する。
画像形成ユニット1は、像担持体であるドラム状の感光体2と、ドラムクリーニング装置3と、除電装置と、帯電装置6と、現像装置8などを備える。画像形成ユニット1は、これらの複数の装置が共通の保持体に保持され、プリンタ本体500に対して一体的に脱着可能なプロセスカートリッジユニットを構成している。したがって、ユニット単位で交換可能である。
感光体2は、ドラム基体の表面上に有機感光層が形成されたドラム形状を有し、駆動手段によって図中時計回り方向(矢印方向)に回転駆動される。帯電装置6は、帯電バイアスが印加される帯電部材となる帯電ローラ7を感光体2に接触又は近接させながら、帯電ローラ7と感光体2との間に放電を発生させることで、感光体2の表面を一様帯電させる。帯電ローラ7などの帯電部材を感光体2に接触又は近接させる方式に代えて、帯電チャージャーによる方式を採用してもよい。
帯電ローラ7で一様帯電された感光体2の表面は、光書込ユニット80から発せられるレーザー光などの露光光によって光走査されて各色用の静電潜像を担持する。この静電潜像は、各色トナーを用いる現像装置8によって現像されて各色のトナー像になる。感光体2のトナー像は、無端状のベルト部材からなる中間転写ベルト31上に一次転写される。
ドラムクリーニング装置3は、一次転写工程(後述する一次転写ニップ)を経た後の感光体2表面に付着している転写残トナーを除去するものである。ドラムクリーニング装置3は、回転駆動されるクリーニングブラシローラ4と、片持ち支持された状態で自由端を感光体2に当接させるクリーニングブレード5などを有する。ドラムクリーニング装置3は、回転するクリーニングブラシローラ4で転写残トナーを感光体2の表面から掻き取ったり、クリーニングブレード5で転写残トナーを感光体2表面から掻き落としたりして、クリーニングを行う。
除電装置は、ドラムクリーニング装置3によってクリーニングされた後の感光体2の残留電荷を除電する。この除電により、感光体2の表面が初期化されて次の画像形成に備えられる。
現像装置8は、現像剤担持体となる現像ローラ9を内包する現像部12と、現像剤を撹拌搬送する現像剤搬送部13とを有する。現像剤搬送部13は、第1スクリュー部材10を収容する第1搬送室と、第2スクリュー部材11を収容する第2搬送室とを有する。第1スクリュー部材10及び第2スクリュー部材11は、現像装置8のケースなどに回転自在に支持されている。それらは回転駆動されることで、現像剤を循環させながら搬送し、現像ローラ9に現像剤を供給する。
図1に示すように、画像形成ユニット1(Y、M、C、K)の上方には、潜像書込手段である光書込ユニット80が配設されている。この光書込ユニット80は、パーソナルコンピュータなどの外部機器から送られてくる画像情報に基づいてレーザーダイオードから発したレーザー光により、感光体2(Y、M、C、K)を光走査する。この光走査により、感光体2(Y、M、C、K)上にY、M、C、K用の静電潜像が形成される。
画像形成ユニット1(Y、M、C、K)の下方には、無端状の中間転写ベルト31を張架しながら図中反時計回り方向に無端移動するベルトユニットであり転写装置である転写ユニット30が配設されている。転写ユニット30は、像担持体である中間転写ベルト31の他に、複数の回転体としての駆動ローラ32と、二次転写裏面ローラ33と、クリーニングバックアップローラ34と、4つの一次転写ローラ35(Y、M、C、K)とを有する。転写ユニット30は、プリンタ本体500に対してユニットごと着脱自在(交換可能)である。
中間転写ベルト31のループ外側の周囲は、像担持体であり、二次転写部材としての二次転写ベルト36を備えた二次転写ユニット41と、ベルトクリーニング装置37と、検知手段としての電位センサ38などが配置されている。
中間転写ベルト31は、そのループ内側に配設された駆動ローラ32、転写部材である二次転写裏面ローラ33、クリーニングバックアップローラ34、及び4つの一次転写ローラ35(Y、M、C、K)に巻き掛けられて支持され張架されている。そして、駆動手段によって図中反時計回り方向に回転駆動される駆動ローラ32の回転力により、同方向に無端移動して搬送される。すなわち、転写ユニット30は、複数の回転体でベルト部材を巻き掛けて支持して搬送する。
4つの一次転写ローラ35(Y、M、C、K)は、無端移動される中間転写ベルト31を感光体2(Y、M、C、K)との間に挟み込む。そして、中間転写ベルト31のおもて面と、感光体2(Y、M、C、K)とが当接するY、M、C、K用の転写部となる一次転写ニップを形成している。一次転写ローラ35(Y、M、C、K)には、転写バイアス電源によってそれぞれ一次転写バイアスが印加されている。これにより、感光体2(Y、M、C、K)上のY、M、C、Kのトナー像と、一次転写ローラ35(Y、M、C、K)との間に転写電界が形成される。
例えば、イエロー用の感光体2Yの表面に形成されたYトナー像は、イエロー用の感光体2Yの回転に伴ってイエロー用の一次転写ニップに進入する。そして、転写電界やニップ圧の作用により、イエロー用の感光体2Y上から中間転写ベルト31上に一次転写される。このようにしてYトナー像が一次転写された中間転写ベルト31は、その後、M、C、K用の一次転写ニップを順次通過する。
そして、感光体2(M、C、K)上のM、C、Kトナー像が、Yトナー像上に順次重ね合わせて一次転写される。この重ね合わせの一次転写により、中間転写ベルト31上には、4色重ね合わせトナー像が形成される。一次転写部材として、一次転写ローラ35(Y、M、C、K)に代えて、転写チャージャーや転写ブラシなどを採用してもよい。
中間転写ベルト31のループ外側に配設された二次転写ユニット41は、ループ内側の二次転写裏面ローラ33との間に中間転写ベルト31を挟み込んでいる。そして、中間転写ベルト31のおもて面と、二次転写ベルト36とが当接する転写部となる二次転写ニップNを形成している。二次転写裏面ローラ33には、二次転写バイアス電源39によって二次転写バイアスが印加され、二次転写ベルト36は接地されている。これにより、二次転写裏面ローラ33と二次転写ベルト36との間に、マイナス極性のトナーを二次転写裏面ローラ33側から二次転写ベルト36側に向けて静電移動させる二次転写電界が形成される。
転写ユニット30の下方には、用紙や樹脂シートなどの記録媒体Pを複数枚重ねた束の状態で収容している収容部となる給紙カセット100が配設されている。この給紙カセット100は、束の一番上の記録媒体Pにローラ100aを当接させており、これを所定のタイミングで回転駆動させることで、その記録媒体Pを搬送路に向けて送り出す。
搬送路の末端付近には、レジストローラ対101が配設されている。このレジストローラ対101は、給紙カセット100から送り出された記録媒体Pをローラ間に挟み込むとすぐに両ローラの回転を停止させる。そして、挟み込んだ記録媒体Pを二次転写ニップN内で中間転写ベルト31上の四色重ね合わせトナー像に同期させ得るタイミングで回転駆動を再開して、記録媒体Pを二次転写ニップNに向けて送り出す。
すなわち、転写ユニット30は、中間転写ベルト31に転写されたトナー像を記録媒体Pとの転写部となる二次転写ニップNまで搬送するベルトユニットである。ここで、像担持体は、画像となるトナー像が転写される無端状のベルト部材としての中間転写ベルト31である。中間転写ベルト31は、複数の回転体としての駆動ローラ32、二次転写裏面ローラ33、クリーニングバックアップローラ34によって巻き掛けられて、支持される。
二次転写ニップNで記録媒体Pに密着された中間転写ベルト31上の四色重ね合わせトナー像は、二次転写電界やニップ圧の作用によって記録媒体P上に一括二次転写され、記録媒体Pの白色と相まってフルカラートナー像となる。二次転写ニップNを通過した後の中間転写ベルト31には、記録媒体Pに転写されなかった転写残トナーが付着している。これは、中間転写ベルト31のおもて面に当接しているベルトクリーニング装置37によってベルト表面からクリーニングされる。中間転写ベルト31のループ内側に配設されたクリーニングバックアップローラ34は、ベルトクリーニング装置37によるベルトのクリーニングをループ内側からバックアップする。
電位センサ38は、中間転写ベルト31のループ外側に配設されている。電位センサ38は、中間転写ベルト31の周方向における全域のうち、駆動ローラ32に対する掛け回し箇所に対して、間隙を介して対向配置されている。そして、中間転写ベルト31上に一次転写されたトナー像が自らとの対向位置に進入した際に、そのトナー像の表面電位を測定する。
二次転写ニップNの図中右側方には、周知の定着装置90が配設されている。定着装置90には、フルカラートナー像が転写された記録媒体Pが送り込まれる。送り込まれた記録媒体Pは、熱源を内部に備えた定着ローラ91と加圧ローラ92とが接触する定着ニップに挟まれる。そして、加熱と加圧によって、フルカラートナー像中のトナーが軟化して定着される。定着後の記録媒体Pは、定着装置90内から排出され、定着後搬送路を経由した後、機外へと排出される。
本実施形態におけるプリンタ本体500は、モノクロ画像も形成することができる。その場合、転写ユニット30におけるY、M、C用の一次転写ローラ35(Y、M、C)を支持する転写ユニット30の支持板を移動して、一次転写ローラ35(Y、M、C)を、感光体2(Y、M、C)から離間する方向に遠ざける。これにより、中間転写ベルト31のおもて面を感光体2(Y、M、C)から引き離して、中間転写ベルト31をブラック用感光体2Kだけに当接させる。この状態で、四つの画像形成ユニット1(Y、M、C、K)のうち、ブラック用画像形成ユニット1Kだけを駆動して、Kトナー像をブラック用感光体2K上に形成する。
以上の構成において、中間転写ベルト31との間に二次転写ニップを形成する転写部材として、ローラ形状の二次転写ローラを用いてもよい。二次転写バイアスの印加位置は、中間転写ベルト31内側の二次転写裏面ローラ33ではなく、転写部材側(例えば、二次転写ローラ)であってもよい。また、カラー画像形成装置にかぎらず、モノクロの画像形成装置に本発明を適用してもよい。
図3は、本発明の一実施形態に係る二次転写バイアス電源と電源制御部の電気的構成を示すブロック図である。図3に示すように、二次転写バイアス電源39は、直流電源110と、交流電源140とを有する。これらの電源には、電源制御部200が接続されている。電源制御部200は、直流電源110及び交流電源140を制御するものであり、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、及びRAM(Random Access Memory)などを有する制御装置により実現できる。
直流電源110には、電源制御部200から、直流電圧の出力の大きさを制御するDC_PWM信号が入力され、DC_PWM信号の大きさに応じた直流電圧を出力する。本実施形態では、直流電源110は、トナーの帯電極性と同極性の負極性の直流電圧(高電圧)を出力する。直流電源110は定電流制御される。
交流電源140には、電源制御部200から、交流電圧の出力の大きさを制御するAC_PWM信号及び交流電圧の出力周波数を制御するAC_CLK信号が入力される。交流電源140は、AC_PWM信号の大きさに応じた振幅(ピークトゥピーク電圧)及びAC_CLK信号の大きさに応じた周波数を有する交流電圧を出力する。交流電源140から出力された交流電圧(交流成分)と直流電源110から出力された直流電圧(高電圧)とを重畳して重畳電圧を生成する。
先の図1及び図3に示すように、二次転写バイアスとしての重畳電圧は、二次転写裏面ローラ33に出力される。なお、本実施形態では、交流電源140は、定電圧制御を行なうものとするが、これに限定されるものではなく、定電流制御を行うとしてもよい。また、直流成分も同様である。二次転写バイアスの直流成分がゼロのものを用いてもよい。
二次転写バイアス電源39は、交流電源140による出力をゼロにすることにより、直流電圧のみからなる二次転写バイアスも出力可能である。また、交流電源140内の交流電圧用トランスが生成する交流電圧は、正弦波及び矩形波のいずれであってもよく、本実施形態では、短パルス状矩形波とする。これは、交流電圧の波形を短パルス状矩形波にすることで、より画像品質の向上に寄与できるためである。
図4aは積層された中間転写ベルトの二次転写ニップを示す模式図であり、図4bは単層の中間転写ベルトの二次転写ニップを示す模式図である。図4aに示すように、中間転写ベルト31は、基層31aの上に柔軟な弾性層31bが積層されている。トナー像が記録媒体Pに二次転写される際、二次転写裏面ローラ33から二次転写バイアスが中間転写ベルト31に印加される。そして二次転写電流は、二次転写裏面ローラ33から基層31a、弾性層31b、トナー像、記録媒体P、二次転写ベルト36、二次転写ローラ400の順に流れる。
この時、二次転写電流は、基層31aと弾性層31bの界面をつたって中間転写ベルト31の周方向に流れ込むことで、ニップ中でトナー像に電流が流れる時間が長くなる。これにより、過充電を起こすことでトナーが逆帯電し、転写不良が生じてしまう問題がある。なお、中間転写ベルト31の層構成は3層以上であっても同様な問題が生じる。
一方、単層で構成されている中間転写ベルト31’は、図4bに示すように、二次転写裏面ローラ33から印加される二次転写バイアスによって、二次転写電流が二次転写裏面ローラ33から二次転写ローラ400に直線状に流れる。したがって、積層された中間転写ベルト31に比べて、ニップ中でトナー像に電流が流れる時間が短く、過充電を起こしにくい。
図5は本発明の一実施形態に係る中間転写ベルトを部分的に示す拡大断面図であり、図6は同中間転写ベルトを部分的に示す拡大平面図である。
中間転写ベルト31は、ある程度の屈曲性を有しかつ剛性の高い材料からなる無端ベルト状の基層(硬質素材のベルト基体)31aと、その表面上に積層された柔軟性に優れた弾性材料からなる弾性層31bとを具備する。弾性層31bには、微粒子31cが分散されており、それらの微粒子31cが自らの一部を弾性層31bの表面から突出させた状態で、図6に示すように、ベルト面方向に密集して並んでいる。それら複数の微粒子31cにより、複数の凸がベルト面に形成されている。
基層31aの材料としては、樹脂中に、電気抵抗を調整するための充填材や添加材などからなる電気抵抗調整材を分散させたものを例示することができる。その樹脂としては、難燃性の観点からすると、例えば、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、ETFE(エチレン・四フッ化エチレン共重合体)などのフッ素系樹脂や、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂等が好ましい。また、機械強度(高弾性)や耐熱性の観点からすると、特にポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂が好適である。
樹脂中に分散させる電気抵抗調整材としては、金属酸化物やカーボンブラック、イオン導電剤、導電性高分子材料などを例示することができる。金属酸化物としては、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化珪素などが挙げられる。分散性を向上させるために、金属酸化物に予め表面処理を施したものを用いてもよい。カーボンブラックとしては、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ガスブラックなどが挙げられる。また、イオン導電剤としては、テトラアルキルアンモニウム塩、トリアルキルベンジルアンモニウム塩、アルキルスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩が挙げられる。アルキルサルフェート、グルセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシエチレン脂肪酸アルコールエステル、アルキルベタイン、過塩素酸リチウムなどでもよい。それらのイオン導電剤を2種類以上混合して使用してもよい。なお、本発明を適用可能な電気抵抗調整材は、これまで例示したものに限られるものではない。
基層31aの前駆体となる塗工液(硬化前の液体の樹脂中に電気抵抗調整材を分散させたもの)には、必要に応じて、分散助剤、補強材、潤滑材、熱伝導材、酸化防止剤などを添加してもよい。中間転写ベルト31として好適に装備されるシームレスベルトの基層31aに含有される電気抵抗調整材の添加量は、好ましくは表面抵抗で1×108~1×1013[Ω/□]、体積抵抗で1×106~1×1012[Ω・cm]となる量とされる。
但し、機械強度の観点から、成形膜が脆く割れやすくならない範囲の量を選択して添加することが必要である。つまり、樹脂成分(ポリイミド樹脂前駆体、ポリアミドイミド樹脂前駆体など)と電気抵抗調整材との配合率を適正に調整した塗工液を用いて、電気特性(表面抵抗及び体積抵抗)と機械強度のバランスがとれたシームレスベルトを製造して用いることが好ましい。
電気抵抗調整材の含有量は、カーボンブラックの場合には、塗工液中の全固形分の10~25[wt%]がよく、更に好ましくは15~20[wt%]である。また、金属酸化物の場合の含有量は、塗工液中の全固形分の1~50[wt%]がよく、更に好ましくは10~30[wt%]である。含有量が前述した範囲よりも少ないと十分な効果が得られず、また含有量が前述した範囲よりも多いと中間転写ベルト31(シームレスベルト)の機械強度が著しく低下するので、実使用上好ましくない。
基層31aの厚みは、特に制限されるものではなく、状況に応じて適宜選択することができるが、30μm~150μmが好ましく、40μm~120μmがより好ましく、50μm~80μmが特に好ましい。基層31aの厚みが、30μm未満であると、亀裂によりベルトが裂けやすくなり、150μmを超えると、曲げによってベルトが割れることがある。一方、基層31aの厚みが前述した特に好ましい範囲であると、耐久性の点で有利になる。
ベルト走行安定性を高めるためには、基層31aの層厚ムラをできるだけ少なくすることが好ましい。基層31aの厚みを調整する方法は、特に制限されるものではなく、状況に応じて適宜選択することができる。例えば、接触式や渦電流式の膜厚計での計測や、膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で測定する方法が挙げられる。
中間転写ベルト31の弾性層31bは、上述したように、分散させた複数の微粒子31cによる複数の凸形状を表面に有している。弾性層31bを形成するための弾性材料としては、汎用の樹脂・エラストマー・ゴムなどを例示することができる。特に、柔軟性(弾性)に優れた弾性材料を用いることが好ましく、エラストマー材料やゴム材料が好適である。エラストマー材料としては、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、ポリスチレン系、ポリアクリル系、ポリジエン系、シリコーン変性ポリカーボネート系などを例示することができる。フッ素系共重合体系等の熱可塑性エラストマーなどでもよい。
また、熱硬化性の樹脂としては、ポリウレタン系、シリコーン変性エポキシ系、シリコーン変性アクリル系の樹脂などを例示することができる。また、ゴム材料としては、イソプレンゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴムなどを例示することができる。更には、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ヒドリンゴムなどを例示することもできる。
これまで例示した材料の中から、所望の性能が得られる材料を適宜選択することが可能である。特に、表面に凹凸のある記録シート、例えばレザック紙などの表面凹凸に追従させるためには、できるだけ柔らかい材料を選択することが好ましい。また、微粒子31cを分散させることから、熱可塑性のものよりも熱硬化性のものの方が好ましい。熱硬化性のものの方が、その硬化反応に寄与する官能基の効果により樹脂粒子との密着性に優れ確実に固定化することが可能だからである。加硫ゴムも同様の理由により好ましい材料の一つである。
弾性層31bを構成する弾性材料の中でも、耐オゾン性、柔軟性、粒子との接着性、難燃性付与、耐環境安定性などの観点から、アクリルゴムが最も好ましい。アクリルゴムは一般的に市販されているものでよく、特定の製品に限定されるものではない。しかし、アクリルゴムの各種架橋系(エポキシ基、活性塩素基、カルボキシル基)の中ではカルボキシル基架橋系のものがゴム物性(特に圧縮永久歪み)及び加工性の点で優れているので、カルボキシル基架橋系のものを選択することが好ましい。カルボキシル基架橋系のアクリルゴムに用いられる架橋剤としては、アミン化合物が好ましく、多価アミン化合物が最も好ましい。このようなアミン化合物として、具体的には脂肪族多価アミン架橋剤、芳香族多価アミン架橋剤などを例示することができる。更に、脂肪族多価アミン架橋剤としては、ヘキサメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミンカーバメイト、N,N’-ジシンナミリデン-1,6-ヘキサンジアミンなどを例示することができる。また、芳香族多価アミン架橋剤としては、4,4’-メチレンジアニリン、m-フェニレンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルエーテル、3,4’-ジアミノジフェニルエーテル、4,4’-(m-フェニレンジイソプロピリデン)ジアニリンなどが挙げられる。4,4’-(p-フェニレンジイソプロピリデン)ジアニリン、2,2’-ビス〔4-(4-アミノフェノキシ)フェニル〕プロパン、4,4’-ジアミノベンズアニリドなどでもよい。更には、4,4’-ビス(4-アミノフェノキシ)ビフェニル、m-キシリレンジアミン、p-キシリレンジアミン、1,3,5-ベンゼントリアミン、1,3,5-ベンゼントリアミノメチルなどでもよい。
架橋剤の配合量の適正範囲は、アクリルゴム100重量部に対し、好ましくは0.05~20重量部、より好ましくは0.1~5重量部である。架橋剤の配合量が少なすぎると、架橋が十分に行われないため、架橋物の形状維持が困難になる。これに対し、含有量が多すぎると、架橋物が硬くなりすぎて、架橋ゴムとしての弾性などが損なわれる。
弾性層31bに用いるアクリルゴムには、上述した架橋剤の架橋反応を促進する狙いで、架橋促進剤を配合してもよい。架橋促進剤の種類は特に限定されるものではないが、前述した多価アミン架橋剤と組み合わせて用いることができることが好ましい。このような架橋促進剤としては、グアニジン化合物、イミダゾール化合物、第四級オニウム塩、第三級ホスフィン化合物、弱酸のアルカリ金属塩などが挙げられる。グアニジン化合物としては、1,3-ジフェニルグアニジン、1,3-ジオルトトリルグアニジンなどが挙げられる。イミダゾール化合物としては、2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾールなどが挙げられる。第四級オニウム塩としては、テトラn-ブチルアンモニウムブロマイド、オクタデシルトリ―n-ブチルアンモニウムブロマイドなどが挙げられる。多価第三級アミン化合物としては、トリエチレンジアミン、1,8-ジアザ‐ビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7(DBU)などが挙げられる。第三級ホスフィン化合物としては、トリフェニルホスフィン、トリ-p-トリルホスフィンなどが挙げられる。弱酸のアルカリ金属塩としては、ナトリウム又はカリウムのリン酸塩、炭酸塩などの無機弱酸塩あるいはステアリン酸塩、ラウリル酸塩などの有機弱酸塩が挙げられる。
架橋促進剤の使用量の適正範囲は、アクリルゴム100重量部あたり、好ましくは0.1~20重量部、より好ましくは0.3~10重量部である。架橋促進剤が多すぎると、架橋時に架橋速度が早くなりすぎたり、架橋物表面ヘの架橋促進剤のブルームが生じたり、架橋物が硬くなりすぎたりする場合がある。これに対し、架橋促進剤が少なすぎると、架橋物の引張強さが著しく低下したり、熱負荷後の伸び変化又は引張強さ変化が大きすぎたりする場合がある。
アクリルゴムの調製にあたっては、ロール混合、バンバリー混合、スクリュー混合、溶液混合などの適宜の混合方法を採用することが可能である。配合順序は特に限定されないが、熱で反応や分解しにくい成分を充分に混合した後、熱で反応しやすい成分あるいは分解しやすい成分として、例えば架橋剤などを、反応や分解が起こらない温度で短時間に混合すればよい。
アクリルゴムは、加熱することによって架橋物とすることができる。好ましい加熱温度は、130~220℃であり、より好ましくは140℃~200℃である。また、好ましい架橋時間は、30秒~5時間である。加熱方法としては、プレス加熱、蒸気加熱、オーブン加熱、熱風加熱などのゴムの架橋に用いられる方法を適宜選択すればよい。また、一度架橋した後に、架橋物の内部まで確実に架橋させるために、後架橋を行ってもよい。後架橋の時間は、加熱方法、架橋温度、形状などによって異なるが、好ましくは1~48時間である。後架橋を行う際の加熱方法、加熱温度については、適宜選択することが可能である。
選択した材料に、電気特性を調整するための電気抵抗調整剤、難燃性を得るための難燃剤、必要に応じて、酸化防止剤、補強剤、充填剤、架橋促進剤などの材料を適宜含有させてもよい。さらに、電気特性を調整するための電気抵抗調整剤として、すでに述べた各種材料を使用することができる。但し、カーボンブラックや金属酸化物などは柔軟性を損なうため、使用量を抑えることが好ましく、イオン導電剤や導電性高分子を用いることも有効である。また、それらを併用しても構わない。
具体的には種々の過塩素酸塩やイオン性液体を、ゴム100重量部に対して0.01部~3部添加するのが好ましい。イオン導電剤の添加量が0.01部以下であると、抵抗率を下げる効果が得られない。また、添加量が3部以上であると、ベルト表面へ導電剤がブルーム又はブリードする可能性が高くなる。
また、昨今の電子写真装置で求められるような高い凹凸紙転写性を得るためには、弾性層31bの柔軟性は23℃50%RH環境下でのマイクロゴム硬度値が35以下であることが好ましい。マルテンス硬度、ビッカース硬度など、いわゆる微小硬度での計測は、測定部位のバルク方向の浅い領域、すなわちごく表面近傍の硬度しか測定していなのでベルト全体としての変形性能は評価できない。そのため、例えば中間転写ベルト全体としての変形性能が低い構成のものに、最表面に柔軟な材料を持ってきた場合、微小硬度値は低くなってしまう。このようなベルトは変形性能が低く、すなわち凹凸紙への追従性が悪いので、結果として昨今求められる凹凸紙への転写性能が不十分なものとなる。そのため、ベルト全体の変形性能が評価できるマイクロゴム硬度を測定することが好ましい。
中間転写ベルトのマイクロゴム硬度(マイクロ硬さ)は、例えば、高分子計器株式会社製のマイクロゴム硬度計MD-1によって測定することができる。23℃50%の環境下において、押針をベルト片に所定の圧力で押し付けてベルト片を変形させながら、押針の押し込み深さに基づいて硬度を測定することができる。
弾性層31bの層厚は、200μm~2mmが好ましく、400μm~1000μmがより好ましい。層厚が200μmよりも小さいと、記録シートの表面凹凸への追従性や転写圧力の低減効果を低くしてしまうので好ましくない。また、層厚が2mmよりも大きいと、弾性層31bが自重によって撓み易くなって走行性を不安定にしたり、ベルトを張架しているローラへの掛け回しでベルトに亀裂を発生させ易くなったりするので好ましくない。なお、層厚の測定方法としては、断面を走査型顕微鏡(SEM)で観察することによって測定する方法を例示することができる。
続いて、弾性層31bの表面に形成された微粒子31cについて説明する。微粒子31cの体積抵抗率は、1×100[Ω・cm]~1×106[Ω・cm]であり、より好ましくは1×101[Ω・cm]~1×103[Ω・cm]である。微粒子31cの構成材料や構造としては、上記の所定の体積抵抗率を示す限り特に制限はなく、適宜目的に応じて選択することができる。例えば単層構造でもよいし、以下に記載するように母体となる粒子に樹脂等をコーティングしてなるコアシェルの2層構造でもよい。
例えば、絶縁粒子やこれよりも抵抗の高い粒子の表面に、導電性の樹脂をコーティングや重合で被覆させることや、あるいは金属を無電解メッキ法で表面に被覆させることにより、コアシェル構造とした微粒子でもよい。また、微粒子の形状としては、上記所定の体積抵抗率を示す限り、特に制限はない。適宜目的に応じて選択することができ、例えば球状の微粒子でもよいし、あるいは球状でなく不定形の微粒子でもよい。好ましくは、球状の微粒子であり、特に以下に示すような球形度の高い、真球状の微粒子であることが好ましい。
微粒子が、上述したコアシェル構造からなる場合、母体粒子の形状が球状であることが好ましい。母体粒子が球状であると、樹脂をコーティングした後の微粒子の形状も容易に球状となりやすいからである。
微粒子31cの大きさとしては、平均粒径が100μm以下であるとよい。微粒子31cの粒径は、弾性層31b上に微粒子31cが充填される際、微粒子31cと微粒子31cの隙間にトナーが入り込まないような大きさであればよい。微粒子31cの平均粒径が、5μm以下であると好ましく、0.5μm~5μmであるとより好ましく、1μm~2μmであると特に好ましい。
図7は、本発明の一実施形態に係るコアシェル構造の微粒子の模式図である。図7に示すように、コアシェル構造の微粒子31cは、母体粒子(高抵抗な粒子)13aと、母体粒子13aをコーティングする導電性層13bからなる。このように、微粒子31cとしては、高抵抗な粒子の表面に導電性の層をコーティングして得られる微粒子が、転写性の面から特に好ましい。
母体粒子(高抵抗な粒子)13aとしては、アクリル樹脂粒子、メラミン樹脂粒子、シリコーン樹脂粒子、ポリアミド樹脂粒子、ポリエステル樹脂粒子、ポリ塩化ビニル樹脂粒子などが挙げられる。導電性層13bとしては、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオール、ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリ3,4エチレンジオキシチオフェンなどの導電性樹脂をコーティングしてなる導電性樹脂層や、銅、銀などの金属メッキをコーティングしてなる導電性層などが挙げられる。なかでも、トナー離型性の観点からポリチオフェン、ポリピロールの導電性樹脂をコーティングしてなる導電性樹脂層がより好ましい。
母体粒子13aの表面に導電性樹脂をコートする方法としては、粒子の表面にスプレー塗工をしてコーティングしてもよいし、公知の方法を用いることもできる。公知の方法としては、例えば特許文献1や特許文献2などに記載の方法が挙げられる。
導電性樹脂としては、市販品を使用することもでき、例えばポリチオフェンとしてはナガセケムテックス株式会社、ヘレウス株式会社、株式会社理学などから入手できる。ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリ-3,4エチレンジオキシチオフェンは化研産業株式会社や三協化成産業株式会社などから入手できる。
微粒子31cの体積抵抗率は、導電性樹脂などの抵抗の低い材料のコート層の厚みを変えることにより、適宜調整する。例えば、体積抵抗率を高めに調整するにはコート層の厚みを薄くすればよく、体積抵抗率を低めに調整するにはコート層の厚みを厚くすればよい。金属などの導電性が高すぎる材料を使用する場合には、微粒子31cの体積抵抗率が上記範囲の下限値より低くなり過ぎないよう留意する。
ここで、本発明者らが上記微粒子の体積抵抗率に至った検討内容について説明する。特許文献3から10に記載の中間転写体には、粒子、コート剤のいずれも抵抗の高い絶縁材料が用いられている。本発明者らは、そのような高抵抗の粒子が配された中間転写体を用いると、フルカラーモードにおけるハーフトーンの転写性が悪くなるという問題を見つけた。
また、特許文献10には、中間転写ベルト全体の抵抗率として、基層及び弾性層の表面抵抗率を1×108~1×1013[Ω/□]、体積抵抗率を1×107~1×1012[Ω・cm]にすることが記載されている。しかし、本発明者は、中間転写ベルト全体の抵抗率として知られている抵抗率のオーダーとは全く違う1×106[Ω・cm]以下という低抵抗領域の体積抵抗率を示す微粒子に変えて実験を行ってみた。
その結果、(1)微粒子の体積抵抗率を高いものから低いものへ変えても、中間転写ベルト全体の抵抗率に変化はないが、(2)微粒子の体積抵抗率を1×100[Ω・cm]~1×106[Ω・cm]の範囲にすることで、フルカラーモードにおけるハーフトーンの転写性の問題を解決することができることを見出した。
微粒子の体積抵抗率を1×100~1×106[Ω・cm]の範囲にすることにより、フルカラーモード(高転写電流)でのハーフトーン転写性が良化する理由は定かではない。考えられる理由として、中間転写ベルト表面にある微粒子の抵抗が高いと電流が中間転写ベルトに流れにくくなって放電してしまい、その影響を受けたトナー自体の電荷が下がることが挙げられる。一方、中間転写ベルト表面にある微粒子の抵抗が低すぎる場合は、ベルト表面に電流が流れすぎてしまい、中間転写ベルトと像担持体(感光体)、紙間での放電が起こりにくくなる。これにより、トナーを転写するための電界形成が阻害されてしまうことが挙げられる。
そこで、中間転写ベルト表面にある微粒子の体積抵抗率が1×100~1×106[Ω・cm]の範囲であれば放電と電界形成のバランスが保たれ、高い転写性を維持できるのではないかと考えられる。
微粒子の体積抵抗率の測定は、例えば三菱化学アナリテック社のMCP-PD51やロレスタGP(抵抗が高ければハイレスタUP)で測定することができる。具体的には、23℃50%RH環境で15mmφの加圧容器に微粒子を1g入れ、荷重4kNを掛けた後、20kVにて測定した値を読み取ることにより算出できる。
次いで、微粒子の配列状態について説明する。先の図6に示すように、中間転写ベルト31の表面は、均一な粒径の微粒子31cを独立して整然と配列させる。すなわち、微粒子31c同士の重なり合いは殆ど観測されない。この表面を構成する各微粒子の弾性層面における断面の径も均一であることが好ましく、具体的には、±(平均粒径×0.5)μm以下の粒径分布幅となることが好ましい。
このように形成するためには、できるだけ粒径の揃った微粒子31cを用いることが好ましいが、ある粒径のものを選択的に表面に形成する方法で表面を形成し、上記の粒径分布幅となる構成としてもよい。微粒子31cによる弾性層表面の占有面積率としては、60%以上が好ましい。占有面積率が60%以上であると、中間転写ベルト31の樹脂部分の露出が適正であり、良好な転写性が得られる。
微粒子31cは、弾性層中へ一部埋設された形態を取るが、その埋没率は、50%を超え、100%に満たないものが好ましく、51%~90%であることが、より好ましい。埋没率とは、微粒子31cの深さ方向の径が弾性層に埋没している割合(率)のことである。ただし、ここでの埋没率は、すべての微粒子が50%を超え100%に満たないという意味ではなく、ある視野で見たときの平均埋没率の数値が50%を超え100%に満たなければよい、という意味である。
埋没率が50%以下では、画像形成装置での長期使用において粒子の脱離が起きやすく、耐久性に劣る。一方、100%では、球状粒子による転写性への効果が低減し、好ましくない。しかし、埋没率50%のときは、電子顕微鏡による断面観測において、弾性層中へ完全埋没している粒子が殆ど観測されない(弾性層中に完全に埋没している微粒子の個数%は球状粒子全体のうち5%以下)。
微粒子の球形度について補足する。上述したように、本発明の微粒子の形状は、球状であることが好ましく、より球形度の高い真球状であることがより好ましい。球形度は、例えばカラーレーザー顕微鏡(装置名:VK-8500、株式会社キーエンス製)を用いて、次のようにして求める。
まず、微粒子を平滑な測定面上に均一に分散付着させる。次いで、微粒子100個について、を用いて、任意の倍率(例えば、1,000倍)に拡大して、100個の粒子の長軸r1(μm)、短軸r2(μm)、厚みr3(μm)を測定する(図8(a)~(c)を参照)。そして、それらの算術平均値を算出すれば、微粒子の球形度が求められる。
本発明では、長軸と短軸との比(r2/r1)が0.9以上1.0以下で、厚みと短軸との比(r3/r2)が0.9以上1.0以下の範囲であるものを、真球状であるとする。
続いて、低抵抗粒子での転写性向上のメカニズムについて、補足説明する。本実施形態では、C、M、Y色のトナーとして、帯電量Q/Mが12~15[μQ/mg]のものを用いていており、K色のトナーとして、帯電量Q/Mが9[μQ/mg]のものを用いている。なお、帯電量は、高温高湿環境(27℃80%RH)のもとで測定した。
K色トナーの帯電量は他の色のトナーよりも低いため、同一の転写電流を印加した場合であっても、K色のハーフトーン画像で良好な転写率が得られない。これはK色のトナーの帯電量が低いことによってトナーの過充電が起きやすいためである。また、本実施形態では、C、M、Y色のトナーとして比誘電率が2.7~3.3のものを用いて、K色のトナーとして比誘電率が3.7~4.3のものを用いている。比誘電率の高いK色のトナーは、トナーの過充電が起きやすい。
ハーフトーン画像を記録シートへ転写する実験をおこなったところ、C、M、Y色のトナーを用いたカラー色のハーフトーン画像(例えば、CとY色を重ね合わせたブルー色のハーフトーン画像)の場合、二次転写電流の大きさに寄らず概ね80%以上の転写率が得られた。一方、K色トナーを用いたハーフトーン画像では、転写不良が発生した。
図9は、K色トナーを用いたハーフトーン画像の二次転写率を比較したグラフである。図9において、X軸は二次転写電流(μA)であり、Y軸は二次転写率(%)である。また、P1ベルトは表面に高抵抗の粒子を有するベルトであり、P2ベルトは表面にP1ベルト表面の粒子よりも低抵抗の粒子(粒子抵抗6乗以下)を有するベルトである。
図9に示すように、高抵抗の粒子を有するベルト(P1ベルト)の場合、二次転写電流が高くなるにつれて、二次転写率が減少する。特に、二次転写電流が115(μA)を超えると、転写率が30%以下となり、転写不良となる。
ここで、本発明のように低抵抗の粒子(粒子抵抗6乗以下)を有するベルト(P2ベルト)の場合、二次転写電流を高くしても概ね60%以上の二次転写率が確保された。これは、上記で説明したメカニズムのように、低抵抗粒子を用いた場合、粒子表面を伝わって電荷が弾性層に逃げて連続放電が発生することにより、トナーへの放電が始まりにくくなる。これによりK色トナーへの過充電が抑制されたと考えられる。
低抵抗粒子を用いることで、像担持体として比較的柔らかいベルトを用いる場合であっても、高い二次転写電流を用いたとしてもK色のハーフトーン画像及びカラー色のハーフトーン画像の転写率を高めることができる。ハーフトーン画像と、高い二次転写電流を必要とするベタ画像と、で転写性を両立することができ、ハーフトーン画像とベタ画像とが混在する画像を良好に転写することができる。
以上のように、像担持体として比較的柔らかい(マイクロゴム硬度60度以下の)ものを用いる画像形成装置において、像担持体表面に低抵抗の層(粒子抵抗6乗以下)を設けることにより、良好な画像を得ることができる。特に、K色トナーとして、帯電量が他の色よりも低く、比誘電率が他の色のトナーよりも高いものを用いる場合、過転写による転写不良が生じやすいが、上記のように構成することで良好な画像を得ることができる。
別の態様として、C、M、Y色のトナーとして帯電量Q/Mが20~24[μQ/mg]のものを用い、K色のトナーとして帯電量Q/Mが21[μQ/mg]のものを用いた。また、C、M、Y色のトナーとして比誘電率が2.7~3.3のものを用い、K色のトナーとして比誘電率が3.3~3.9のものを用いた。K色トナーの帯電量及び比誘電率は、トナーに含まれるカーボンブラックの量を調整することにより調整した。この別の態様の場合、K色トナーの帯電量及び比誘電率がC、M、Y色のトナーのそれらと同等であるため、高い二次転写電流を印加したときの二次転写率の低下をより抑えることができた。
この別の態様のように、K色トナーの帯電量及び比誘電率が、C、M、Y色のトナーのそれらと近いものを用いてもよい。この態様によれば、転写性をより改善することができる。
以下より、本発明の実施例と、それらによる二次転写率の測定結果について説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
基層の作製手順について説明する。基層用塗工液を調製し、この塗工液を用いてシームレスの中間転写ベルトの基層を作製した。
<基層用塗工液の調製>
まず、ポリイミド樹脂前駆体を主成分とするポリイミドワニス(U-ワニスA;宇部興産社製)に、予めビーズミルにてN-メチル-2-ピロリドン中に分散させたカーボンブラック(SpecialBlack4;エボニックデグサ社製)の分散液を、カーボンブラック含有率がポリアミック酸固形分の17質量%になるように調合し、よく攪拌混合して塗工液を調製した。
<ポリイミド基層ベルトの作製>
次に、外径500mm、長さ400mmの外面をブラスト処理にて粗面化した金属製の円筒状支持体を型として用い、ロールコート塗工装置に取り付けた。続いて、上記で作製した基層用塗工液をパンに流し込み、塗布ローラの回転速度40mm/secで塗料を汲み上げ、規制ローラと塗布ローラのギャップを0.6mmとして、塗布ローラ上の塗料厚みを制御した。
次いで、円筒状支持体の回転速度を35mm/secに制御して塗布ローラに近づけ、塗布ローラとのギャップを0.4mmとして塗布ローラ上の塗料を均一に円筒状支持体上に転写塗布した。次に、回転を維持しながら熱風循環乾燥機に投入し、110℃まで徐々に昇温して30分間加熱し、さらに昇温して200℃で30分間加熱した後、回転を停止した。そして、これを高温処理の可能な加熱炉(焼成炉)に導入し、段階的に320℃まで昇温して60分間加熱処理(焼成)した。その後、充分に冷却し、膜厚60μmのポリイミド基層ベルトAを得た。
<弾性層の作製>
下記に示す各成分及び含有量で配合し、混練することにより、ゴム組成物を調製した。
・アクリルゴム(日本ゼオン株式会社製、NipolAR12):100質量部
・ステアリン酸(日油株式会社製、ビーズステアリン酸つばき):1質量部
・赤リン(燐化学工業株式会社製、ノーバエクセル140F):10質量部
・水酸化アルミニウム(昭和電工株式会社製、ハイジライトH42M):40質量部
・架橋剤(デュポン ダウ エラストマー ジャパン社製、Diak.No.1、ヘキサメチレンジアミンカーバメイト):0.6質量部
・架橋促進剤(Safic alcan社製、VULCOFAC ACT55(70質量%の1,8-ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン-7と二塩基酸との塩、30質量%のアモルファスシリカ)):0.6質量部
次に、得られたゴム組成物を有機溶剤(MIBK、メチルイソブチルケトン)に溶かして、固形分35質量%のゴム溶液を作製した。そして、先に作製したポリイミド基層が形成された円筒状支持体を回転させ、ポリイミド基層上にゴム溶液をノズルより連続的に吐出しながら、円筒状支持体の軸方向に移動させて螺旋状に塗布した。その塗布量としては、最終的な弾性層の平均厚みが400μmになるようなゴム溶液量とした。その後、ゴム溶液が塗布された円筒状支持体をそのまま回転しながら熱風循環乾燥機に投入し、昇温速度4℃/分間で90℃まで昇温して30分間加熱した。
<導電性微粒子の作製>
球形アクリル樹脂粒子であるテクポリマーSSX102(積水化成品工業株式会社、粒径2μm)の表面にポリチオフェン系導電性ポリマーであるDenatron PT-434(ナガセケムテックス株式会社)をスプレー塗工した後、120℃で1時間乾燥し、導電性微粒子Aを作製した。スプレー塗工は微粒子の体積抵抗率が最終的に1×102(Ω・cm)程度となるように調整した。
<微粒子の弾性層表面への塗布>
次に、図10に示すように、弾性層45の表面に導電性粒子Aをまんべんなくまぶし、ポリウレタンゴムブレードからなる押し当て部材46を、押圧力100(mN/cm)で押し当てて弾性層表面に固定化した。続いて、再び熱風循環乾燥機に投入して、昇温速度4(℃/分間)で170℃まで昇温して60分間加熱処理し、中間転写ベルトAを作製した。
微粒子の体積抵抗率の測定は、三菱化学アナリテック社のMCP-PD51とロレスタGP、ハイレスタUPを用いた。23℃50%RH環境のもと、15mmφの加圧容器に微粒子を1g入れ、荷重4kNを掛けた後、20kVにて測定した値より算出した。また、中間転写ベルトAの抵抗率は、23℃50%RH環境でハイレスタUPを用いて、表面抵抗率、体積抵抗率の値をバイアス500Vで10秒印加後に計測した。
なお、上記の実施例1において、Denatron PT-434をDenatron P-502RG(ナガセケムテックス株式会社)に変更してもよい。
また、導電性粒子Aを作製する際のスプレー塗工で塗布、乾燥する工程を2回繰り返してもよい。
また、テクポリマーSSX102をメラミン樹脂粒子であるエポスターS6(日本触媒株式会社、平均粒径0.4μm)に変更してもよい。
また、テクポリマーSSX102をシリコーン樹脂粒子であるトスパール2000B(モメンティブパフォーマンスマテリアルズ株式会社、平均粒径6μm)に変更してもよい。
上記のように、導電性ポリマーの種類を変更したり、導電性粒子Aを作製する際のスプレー塗工で塗布、乾燥する工程を変更したり、球形アクリル樹脂粒子の種類を変更することにより、体積抵抗率が1×104、1×106、1×108、1×1010[Ω・cm]の微粒子も作成した。
実施例1において、導電性粒子Aを使わず、テクポリマーSSX102をそのまま使用した。このときのテクポリマーSSX102の体積抵抗率は1×1014Ω・cm以上であった(これを比較例1とする)。
比較例1において、テクポリマーSSX102の代わりに球形の半田粉(スズ、銀、銅)であるSTC-3の微粒カット品(三井金属株式会社、平均粒径2.6μm)を使用した。このときのSTC-3の体積抵抗率は3.2×10-6[Ω・cm]であった(これを比較例2とする)。
比較例1においてテクポリマーSSX102の代わりにシリコーン球形微粒子であるトスパール120(モメンティブパフォーマンスマテリアルズ株式会社、平均粒径2μm)を使用した。このときのトスパール120の体積抵抗率は1×1014[Ω・cm]以上であった(これを比較例3とする)。
<測定結果>
図11~図13は、それぞれマイクロゴム硬度を変化させた場合の、粒子抵抗と転写率との関係を示すグラフである。図11~13において、横軸は粒子抵抗(log(Ωcm))であり、縦軸は二次転写率(%)である。
マイクロゴム硬度を40以下(図11)、40~50(図12)、50~60(図13)として、ブラック色のハーフトーン画像の二次転写率を測定した。二次転写バイアスとして、直流電圧のみからなるものを用いた。転写率が高いほど、過充電を防いでいることになり、画像品質として優れる。今回は目安として転写率70%以上を目標とした。
今回の結果から、
硬度40以下(図11): 粒子体積抵抗率2乗以下
硬度40~50(図12): 粒子体積抵抗率4乗以下
硬度50~60(図13): 粒子体積抵抗率6乗以下
であると、良好な転写が得られることが分かった。すなわち、ゴムが柔らかいほど、粒子の抵抗が低いことが望ましい。
また、ベルトの硬度によらず、粒子体積抵抗率が6乗を超える場合、ハーフトーンの転写率が低下した。さらに、ベルトの硬度によらず、比較例2のように微粒子として粒子体積抵抗率が0乗を下回るものを用いた場合、転写率が低下したことも分かった。これは、上述のように、ベルト表面に電流が流れすぎてしまい中間転写ベルトと紙の間での放電が起こりにくくなることから、トナーを転写するための電界形成が阻害されてしまうためだと考えられる。
硬度が60より高い中間転写ベルトを用いる場合、表面に大きな凹凸を有する凹凸紙(エンボス紙など)へトナー像を転写する際、ベルト表面が凹凸紙の表面の凹凸形状に十分に倣わず、転写性が不十分となる。そのため、マイクロゴム硬度は60が好ましい。したがって、弾性ベルトとしては、マイクロゴム硬度が60以下であり、かつ微粒子の体積抵抗率が0乗~6乗の範囲にあれば、凹凸紙への転写性と過充電による異常画像防止の両立が可能である。
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、中間転写ベルトの弾性層表面に低抵抗の微粒子を付着させる代わりに、コート層を設けた。コート剤としては、長瀬産業株式会社製のDenatron P-502RG(商品名)を用いた。コート層の膜厚は3μmとした。コート層の表面抵抗率は4×105[Ω/□]であった。
図14は、コート層を設けた中間転写ベルトにおける、トナー付着量と二次転写率との関係を示すグラフである。図14において、横軸はトナー付着量(M/A)であり、縦軸は二次転写率(%)である。また、実線はコート層を設けたベルトによるグラフであり、破線はコート層を設ける代わりに、絶縁性の粒子を分散させたベルト(比較例)によるグラフである。
トナー付着量(M/A)が0.005、0.016、0.033、0.046、0.058(mg/cm2)のK色の画像をそれぞれ転写した。その結果は、二次転写率がいずれの付着量の画像においても90%以上となり、比較例のベルトを用いた場合に比べて30%以上向上した。これにより、コート層を設けたベルトは、ハーフトーン画像を転写するときの過充電を防止し、良好な画像を得ることができることが分かった。
本発明者らが追加実験したところ、表面抵抗率が1×102[Ω/□]以下の場合、転写電流が漏れることにより転写電界が形成されず、転写率が低下した。表面抵抗率が1×107[Ω/□]以上の場合、トナーの過充電が発生し、転写不良となった。したがって、コート層としては、表面抵抗率が1×102[Ω/□]よりも大きく、1×107[Ω/□]以下になるものを用いることが好ましい。また、ベルトの弾性層が硬度60以下のものに、表面抵抗率が1×102[Ω/□]よりも大きく、1×107[Ω/□]以下のコート層を設けることにより、更に転写性を向上させることができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、第1又は第2の実施形態と比べて、二次転写バイアスに重畳電圧を用いる点が異なる。その他の点は、上記の実施形態と同様である。
トナー像を記録媒体Pに転写させるには、ある一定の大きさの電圧を印加する必要がある。しかし、一定の値の電圧(すなわち直流成分のみからなる電圧)を印加し続けると、図4で説明したように、トナーが過充電を起こし、十分なハーフトーンの濃度を得られないことがある。
図15は、第3の実施形態に係る、理想的な転写バイアス波形の一例である。図15において、横軸は時間(s)であり、縦軸は電圧(V)である。図中の記号、Vrは正の電圧のピーク値であり、Vtは負の電圧のピーク値(トナー像を中間転写ベルトから記録シートへ転写する側の転写側ピーク電圧)である。
ここで、
Voff=(Vr+Vt)/2、Vpp=(Vr-Vt)
Vave=(Vr×Duty/100)+Vt×(1-Duty)/100
A:Vtの持続時間(転写側ピーク波形の持続時間)
B:波形1周期の時間
Duty:(B-A)/B×100(%)
とする。
図15に示す転写バイアス波形は、転写に必要な大きさの電圧は印加するが、Dutyを50%より高く設定することで印加時間を短くし、トナーの過充電を防ぐことで、ハーフトーンを転写する理想波形である。
図16は、図15の理想波形を狙って実際に出力された波形である。
Vt:-4.8kV、Vr:1.2kV、Voff:-1.8kV、Vave:0.08kV、Vpp:6.0kV、Vtピークの持続時間A:0.10ms、波形の周期B:0.66ms、Duty:85%とする波形の交流電圧を印加した。
図17(a)~(e)は、図15に示す転写バイアス波形の条件で、Dutyを90%から10%まで振った際の出力波形である。これらの波形でK色(ブラック色)のハーフトーン画像を出力し、官能評価を行なった。
実験条件は、環境:27℃/80%、用紙:Mohawk Color Copy Gloss 270gsm(457mm×305mm)、プロセス線速:630mm/s、出力画像:Bkハーフトーン、二次転写ニップ幅:4mmである。
Dutyが90%と70%では十分なハーフトーンの濃度を得られた。一方、50%、30%、10%の場合は、ユーザーに提供する画質としては許容される程度の濃度が得られたが、Dutyが90%と70%のものと比べると濃度が薄かった。
また、比較として、直流電圧のみを用いて同画像を出力したところ、Dutyが50%、30%、10%の場合と同じく、ユーザーに提供する画質としては許容される程度の濃度が得られた。しかし、Dutyが90%と70%に比べると濃度が薄かった。なお、コート紙の転写時に限らず、普通紙や再生紙の転写時に第3の実施形態で説明した二次転写バイアスを用いても同様な結果を得た。
図15で説明したように、Dutyが10%、30%、50%では、電圧を印加する時間が長く、トナー像が過充電され、直流電圧のみを用いた場合に比べて、転写性は向上しなかった。一方、高Dutyの70%、90%では、電圧を印加する時間が短く、過充電をより防止でき、転写性を向上することができた。
また、出力波形において、VrとVtで極性を反転させると、過充電をより確実に防げる。その理由は、紙が帯電している場合でも、0をまたぐことで充電を防ぐ向きに電界をつくるからである。
先の図5、図6に示したように、ベルト表面に粒子を分散させると、トナーの離型性が向上する。しかし、従来のようなACバイアス(Duty50%以下やDC定電流)を用いると、ハーフトーン画像の転写性は許容されるレベルであるものの、やや濃度が薄い。その原因は、粒子の隙間から電流が漏れてトナーが過充電されたためである。そこで、ベルト表面に粒子を分散させた場合に、高Dutyの転写バイアスを用いることで上記の課題が解決できる。これにより、離型性が向上できるとともに、十分なハーフトーンの濃度が得られる。
また、ベルト表面にコート層を設けた場合(第2の実施形態)に、高Dutyの転写バイアスを用いてもよい。
図15に示すように、Dutyが50%を超える高Dutyの波形においては、重畳電圧の2つのピーク値(VrとVt)の中心値Voffが、重畳電圧の時間平均値Vaveよりも転写方向寄り(図15でマイナス極性寄り)にある。このような波形を用いることで、十分なハーフトーンの濃度を得ることができる。
以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明した。この実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して使用できる。