(57)【要約】　　　（修正有）【課題】導電粒子を用いて帯電を行なう方式において帯電にかかわる諸条件を適正化する帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を提供する。【解決手段】像担持体１と、像担持体とニップ部Ｎを形成し、像担持体を帯電する帯電部材２と、を有し、ニップ部には導電粒子ｍが設けられ、像担持体の表面の抵抗率をρ（Ω）、像担持体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、帯電部材上にある導電粒子ｍの密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、像担持体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、像担持体移動方向におけるニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であること。2004004783.tif 000017【選択図】図１
2004004783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像担持体と、
前記像担持体とニップ部を形成し、前記像担持体を帯電する帯電部材と、
を有し、前記ニップ部には導電粒子が設けられ、前記像担持体の表面の抵抗率をρ（Ω）、像担持体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、前記導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、前記帯電部材上にある前記導電粒子の密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、前記帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記像担持体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、前記像担持体移動方向における前記ニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であることを特徴とする画像形成装置。
記
【式１】
2004004783.tif 000014
【請求項２】
前記抵抗率ρが、１．０×１０９〜５．０×１０１１（Ω）であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記密度Ｎｃは、１．０×１０２〜５．０×１０６（個／ｍｍ２）であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項４】
Ｗ／Ｖｃが、０．３（ｓｅｃ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記幅Ｗが、２．０〜５．０（ｍｍ）であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記像担持体に形成された静電像を現像剤で現像する現像手段と、前記像担持体から受像部材へ前記現像剤の像を転写する転写手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項７】
前記現像剤はトナーを含み、前記導電粒子の平均粒径が、０．５μｍ以上でかつ前記トナーの粒径以下であることを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
【請求項８】
前記現像手段は、現像動作を行なうと同時に、前記像担持体上の残留現像剤を回収する動作を行なうことが可能であることを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
【請求項９】
前記現像剤は前記導電粒子を含み、前記現像手段は、前記導電粒子を前記像担持体へ供給し、前記像担持体に担持された前記導電粒子は、前記帯電部材へ搬送されることを特徴とする請求項８に記載の画像形成装置。
【請求項１０】
前記像担持体は、その表面に電荷注入層を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項１１】
画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジであり、
像担持体と、
前記像担持体とニップ部を形成し、前記像担持体を帯電する帯電部材と、
を有し、前記ニップ部には導電粒子が設けられ、前記像担持体の表面の抵抗率をρ（Ω）、像担持体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、前記導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、前記帯電部材上にある前記導電粒子の密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、前記帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記像担持体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、前記像担持体移動方向における前記ニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であることを特徴とするプロセスカートリッジ。
記
【式２】
2004004783.tif 000015
【請求項１２】
前記抵抗率ρが、１．０×１０９〜５．０×１０１１（Ω）であることを特徴とする請求項１１に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１３】
前記密度Ｎｃは、１．０×１０２〜５．０×１０６（個／ｍｍ２）であることを特徴とする請求項１１に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１４】
Ｗ／Ｖｃが、０．３（ｓｅｃ）以下であることを特徴とする請求項１１に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１５】
前記幅Ｗが、２．０〜５．０（ｍｍ）であることを特徴とする請求項１１に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１６】
前記像担持体に形成された静電像を現像剤で現像する現像手段と、前記像担持体から受像部材へ前記現像剤の像を転写する転写手段と、を有することを特徴とする請求項１１に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１７】
前記現像剤はトナーを含み、前記導電粒子の平均粒径が、０．５μｍ以上でかつ前記トナーの粒径以下であることを特徴とする請求項１６に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１８】
前記現像手段は、現像動作を行なうと同時に、前記像担持体上の残留現像剤を回収する動作を行なうことが可能であることを特徴とする請求項１６に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項１９】
前記現像剤は前記導電粒子を含み、前記現像手段は、前記導電粒子を前記像担持体へ供給し、前記像担持体に担持された前記導電粒子は、前記帯電部材へ搬送されることを特徴とする請求項１８に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項２０】
前記像担持体は、その表面に電荷注入層を備えることを特徴とする請求項１１に記載のプロセスカートリッジ。
【請求項２１】
被帯電体と、
前記被帯電体とニップ部を形成し、前記被帯電体を帯電する帯電部材と、
とを有し、前記ニップ部には導電粒子が設けられ、前記被帯電体の表面の抵抗率をρ（Ω）、前記被帯電体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、前記導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、前記帯電部材上にある前記導電粒子の密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、前記帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記被帯電体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、前記被帯電体移動方向における前記ニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であることを特徴とする帯電システム。
記
【式３】
2004004783.tif 000016
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電粒子を用いて帯電を行なう帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、電子写真装置や静電記録装置等の画像形成装置（画像記録装置）において、電子写真感光体・静電記録誘電体などの像担持体（被帯電体）を所要の極性・電位に一様に帯電処理（除電処理も含む）する帯電装置としてはコロナ帯電器が使用されていた。
【０００３】
近時は、電圧を印加した帯電部材を被帯電体に当接させて帯電を行う接触方式の帯電装置（接触帯電装置）が実用化されている。しかしながら、接触帯電装置でも、オゾンなど放電生成物などによる弊害が原理的に避けられない。
【０００４】
この問題を解決するために、接触帯電部材から被帯電体へ電荷が直接注入される注入帯電方式が提案されている。例えば、帯電磁気ブラシ等の接触帯電部材に電圧を印加し、もともと被帯電体表面に存在するトラップ順位、または導電性粒子等の電荷保持部材を含む電荷注入層を設けるなどして任意に作ったトラップ順位に、電荷を注入して直接注入帯電を行う機構である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
従来の接触帯電は主に放電現象による帯電であり、放電闇値以上の電圧を加える必要があったが、上記の注入帯電は放電闇値以下であっても、被帯電体を印加電圧相当の電位に帯電することができる。
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１等で用いられた磁気ブラシ等を用いた注入帯電方式では、帯電磁性粒子を保持し、帯電磁性粒子を被帯電帯に摺擦するための機構がコストアップ要因となっていた。
【０００７】
このため、より簡易な注入帯電方式として、接触部材として可撓性のローラに、接触帯電性を向上させるための導電性微粒子（導電性粒子）を介在させる構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。本構成では、接触帯電部材と被帯電体間の接触を、介在させる導電性粒子の量や粒径で制御することが可能であり、良好な帯電性を得る事ができる。
【０００８】
また、導電性粒子を用いた接触注入帯電方式は、転写行程後に被帯電体上に残留する現像剤を除去する機構を省いたクリーナレス機構で好適に用いられ、現像剤に導電性粒子を混合することで帯電接触部材の導電性粒子量を維持させて帯電能力を保持する構成などが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】
特開平０６−００３９２１号公報
【特許文献２】
特開平１０−３０７４５４号公報
【特許文献３】
特開平２０００−０８１７６０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の導電性粒子を用いた接触注入帯電方式では、様々なパラメータが相互に関連して帯電条件が定まることがわかっているが、個々のパラメータの相関が不明確で、様々な状況に応じた個々のパラメータの適応範囲が予測し難かった。
【００１０】
このため、帯電状況の環境安定性，耐久安定性のばらつきが大きく設計上の支障になっていた。
【００１１】
特に注入帯電特性は、被帯電体の電気特性にもよるので、被帯電体の表面の抵抗率などを適正にすることが求められていた。
【００１２】
本発明の目的は、導電粒子を用いて帯電を行なう方式において帯電にかかわる諸条件を適正化する帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、注入帯電方式に適した帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、被帯電体の電気特性を適正化した帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、帯電安定性の高い帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を提供することである。
【００１６】
本発明の更なる目的及び特徴とするところは、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより一層明らかになるだろう。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明に係る画像形成装置の代表的な構成は、像担持体と、前記像担持体とニップ部を形成し、前記像担持体を帯電する帯電部材と、を有し、前記ニップ部には導電粒子が設けられ、前記像担持体の表面の抵抗率をρ（Ω）、像担持体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、前記導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、前記帯電部材上にある前記導電粒子の密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、前記帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記像担持体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、前記像担持体移動方向における前記ニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であることを特徴とする画像形成装置、である。
【００１８】
記
【００１９】
【式４】
2004004783.tif 000003
【００２０】
また、上記の目的を達成するための本発明に係るプロセスカートリッジの代表的な構成は、画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジであり、像担持体と、前記像担持体とニップ部を形成し、前記像担持体を帯電する帯電部材と、を有し、前記ニップ部には導電粒子が設けられ、前記像担持体の表面の抵抗率をρ（Ω）、像担持体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、前記導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、前記帯電部材上にある前記導電粒子の密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、前記帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記像担持体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、前記像担持体移動方向における前記ニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であることを特徴とするプロセスカートリッジ、である。
【００２１】
記
【００２２】
【式５】
2004004783.tif 000004
【００２３】
また、上記の目的を達成するための本発明に係る帯電システムの代表的な構成は、被帯電体と、前記被帯電体とニップ部を形成し、前記被帯電体を帯電する帯電部材と、とを有し、前記ニップ部には導電粒子が設けられ、前記被帯電体の表面の抵抗率をρ（Ω）、前記被帯電体の静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）、前記導電粒子の粒径をＤ（ｍｍ）、前記帯電部材上にある前記導電粒子の密度をＮｃ（個／ｍｍ２）、前記帯電部材の表面移動速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、前記被帯電体の表面移動速度をＶｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、ｋ＝Ｖｃ／Ｖｄ、前記被帯電体移動方向における前記ニップ部の幅をＷ（ｍｍ）とすると、下記の式で表わされる時間係数αが、α＞１５であることを特徴とする帯電システム、である。
【００２４】
記
【００２５】
【式６】
2004004783.tif 000005
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜３を用いて本発明に従う、帯電システム、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を説明する。
【００２７】
図１は本実施例を示す画像形成装置の概略構成模型図である。本実施例の画像形成装置は、転写方式電子写真プロセス利用、導電性粒子（帯電促進粒子）を用いた直接注入帯電方式、反転現像方式、プロセスカートリッジ方式のレーザービームプリンタである。
【００２８】
（１）プリンタの全体的概略構成
図１中、１は被帯電体（像担持体）たる直径３０ｍｍの感光ドラム、２は接触帯電部材たる直径１８ｍｍの帯電ローラ、３は現像装置、４は転写帯電装置たる転写ローラ、５は定着装置、６は露光装置たるレーザービームスキャナである。
Ａ．帯電工程；感光ドラム１は図１中矢印Ａの方向に所定の周面速度（プロセススピード）Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）をもって回転駆動される。帯電ローラ２は、装置が未使用の状態であらかじめ導電性粒子ｍが塗布され、感光ドラム１に対して所定の押圧力をもって圧接されており、感光ドラム１の回転方向Ａに対して、圧接部（帯電ニップ）Ｎにおいて逆方向（図１中矢印Ｂ）の方向に所定の周面速度Ｖｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）をもって回転駆動される。帯電ローラ２は感光ドラム１との圧接部Ｎにおいて、その外周面を所定の極性・電位に一様に注入帯電する。本実施例では、ほぼ−７００Ｖになるように帯電した。帯電システムは、被帯電体である感光ドラム１、帯電部材である帯電ローラ２、導電粒子ｍによって形成される。
【００２９】
Ｂ．露光工程；前記帯電工程で注入帯電された感光ドラム１周面上に、レーザービームスキャナ６によるレーザー露光Ｌがなされて目的のプリントパターン（画像情報）に対応した静電潜像が形成される。
【００３０】
Ｃ．現像工程；感光ドラム１周面上に形成された静電潜像は、現像装置３により現像されトナー像として顕像化される。本実施例の現像工程は現像剤３ａとして一成分磁性ネガトナーを用いた反転現像である。本実施例の現像剤のトナーの平均粒径は７μｍのものを用いた。
【００３１】
現像装置３は現像剤担持搬送部材たる現像スリーブ３ｂと現像スリーブ３ｂ内に設置されたマグネットローラ３ｃで構成され、現像スリーブ３ｂと感光ドラム１の間に現像バイアス電源Ｓ２から所定の現像バイアスが印加されることによって現像を行う。本実施例において現像バイアス電圧は、以下のＤＣ成分とＡＣ成分の重畳電圧である。
【００３２】
ＤＣ電圧：−５００Ｖ
ＡＣ電圧：矩形波：ピーク問電圧１６００Ｖ、周波数１．８ｋＨｚ
Ｄ．転写工程；感光ドラム１周面上に形成されたトナー像は、転写ローラ４によって、不図示の給紙部から所定の制御タイミングにて給送された記録材Ｐに転写される。
【００３３】
転写ローラ４には、転写バイアス電源Ｓ３から所定の転写バイアス電圧が印加される。本実施例では転写バイアス電圧として＋２ｋＶのＤＣ電圧を加えた。
【００３４】
Ｅ．定着工程；トナー像を転写された記録材Ｐは定着装置５に搬送されて、熱および圧力による定着処理を受け、画像形成物（プリント・コピー）として機外に排紙される。
【００３５】
Ｆ．回収工程；転写工程において転写されず、感光ドラム１周面上に残留しているトナーは、前記の帯電工程の帯電ニップまで運ばれる。残留トナーの一部は帯電ローラに付着し、他の一部は感光体に付着したまま帯電ニップを通過する。
【００３６】
帯電ニップを通過したトナーは、感光体面同様に帯電工程による注入帯電によってトナーの正規の極性（本実施例では−極性）に帯電され、続く現像工程で回収可能とされる。帯電ローラに付着した残留トナーも、何度か帯電ニップを通過するうちに上記のように正規の極性に帯電されて感光体に転移し、続く現像工程で回収可能とされる。
【００３７】
現像工程では、露光部上のトナーはそのまま感光体上にとどまり（すなわち現像され）、非露光部上のトナーは現像装置に回収される。即ち、現像装置によって現像動作が行なわれると同時に回収動作が行なわれる。
【００３８】
本実施例のプリンタは、感光ドラム１、帯電ローラ２、現像装置３を一括してプロセスユニット（プロセスカートリッジ）９とし、プリンタ本体に対して着脱・交換自在に構成した。
【００３９】
（２）感光ドラム
本実施例で用いた感光ドラム１は、抵抗の調整がしやすい電荷注入層１６（図２）を有する感光体である。感光体電荷注入層１６は光硬化型のアクリル樹脂にＳｎＯ２超微粒子１６ａ（粒子径が約０．０３μｍ）、テフロン（商品名）（登録商標）などの滑剤等を混合分散し、塗工後、光硬化法により膜形成したものである。
【００４０】
図２に本実施例で用いた感光ドラムの層構成模型図を示す。感光ドラム１は、アルミドラム基体１１上に、下引き層１２、正電荷注入防止層１３、電荷発生層１４、電荷輸送層１５の順に重ねて塗工された一般的な有機感光体ドラムに上記の電荷注入層１６を塗布することにより、電荷注入性能を向上した。
【００４１】
電荷の直接注入による帯電方式において重要な点は表層の抵抗にある。被帯電体側の抵抗を下げることでより効率良く電荷の授受が行えるようになる。一方、感光体として用いる場合には静電潜像を一定時間保持する必要があるため、必要以上に抵抗を下げることはできない。本実施例では後述する時間係数αの測定のため、表層の抵抗が異なるものを数種類作成した。
【００４２】
本実施例の表層の抵抗は、作成した感光ドラム上に図３に示すような櫛歯上の電極（電極間のギャップ２００μｍ、延べ電極長５．６ｍｍ）を蒸着し、電極間に１００Ｖの電圧を印加して、電極間を流れる電流値から求めた抵抗率ρ（Ω）を実効表面抵抗率として用いている。
【００４３】
（３）帯電ローラ
帯電ローラ２は芯金２ａ上に中抵抗の弾性発泡体層２ｂを形成することにより作成される。本実施例では、弾性発泡体層２ｂはウレタン樹脂に導電性カーボンブラック粒子を分散して抵抗を調整した上で発泡形成したもので、必要に応じて表面を研磨している。本実施例では、直径１８ｍｍ、長手長さ２００ｍｍ、の帯電ローラ２を標準として用いた。また、後述する時間係数αの測定のため、感光ドラム１とのニップ部Ｗの幅を変られるように弾性発泡体層２ｂの外径の異なるものを数種類用意した。
【００４４】
本実施例の標準帯電ローラ２の抵抗を測定したところ１００ｋΩであった。計測は、帯電ローラ２の芯金２ａに総圧ｌｋｇの加重がかかるように３０ｍｍのアルミドラムに圧着した状態で、芯金２ａとアルミドラムに１００Ｖを印加して行った。
【００４５】
電荷の直接注入による帯電方式において帯電ローラ２は電極として機能することが重要である。弾性を持たせ十分な接触状態を得ると同時に、移動する被帯電体を充電するに十分低い抵抗を有する必要がある。一方では被帯電体にピンホールなどの欠陥部位が存在した場合に電圧のリークを防止する必要がある。上記から、十分な帯電性と耐リーク性を得るには上記測定法で１０４〜１０７Ωの抵抗が望ましい。
【００４６】
帯電ローラ２の硬度は、硬度が高すぎても低すぎても、感光体表面へのミクロな接触性が悪くなるので、アスカ−Ｃ硬度で２５度から５０度が好ましい範囲である。本実施例の標準帯電ローラ２のアスカ−Ｃ硬度は３５度である。
【００４７】
（４）導電性粒子
本実施例では、導電性粒子ｍとして、比抵抗が３×１０３Ωｃｍの導電性酸化スズ粒子を用いた。これを使用前の帯電ローラ２の表面に均一に塗布した。
【００４８】
ここで抵抗測定は、錠剤法により測定し正規化して求めた。底面積２．２６ｍｍ２の円筒内に凡そ０．５ｇの粉体試料を入れ上下電極に１５ｋｇの加圧を行うと同時に１００Ｖの電圧を印加し抵抗値を計測、その後、正規化して比抵抗を算出した。
【００４９】
粒径の測定には、光学あるいは電子顕微鏡による観察から、１００個以上抽出し、水平方向最大弦長をもって体積粒度分布を算出しその５０％平均粒径をもって決定した。
【００５０】
（５）注入帯電条件
前述したように、帯電ローラ２と感光ドラム１を速度差もって接触させ、帯電ローラ２の表面に存在する導電性粒子ｍを感光ドラム表面に摺擦することで感光ドラム表面への接触性を向上させている。接触性が向上することで電荷の受け渡し機会が増え、注入帯電性能を向上させている。
【００５１】
帯電ローラ２と感光ドラム１とのニップ部Ｎの幅（ｍｍ／以下同じ符号Ｗであらわす）、と帯電ローラ２の表面に存在する導電性粒子ｍの密度Ｎｃ（個／ｍｍ２）は、導電性粒子ｍの接触機会を左右する重要なファクターである。また、帯電ローラ２の周面速度Ｖｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）、感光ドラム１の周面速度Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）とその周面速度比率をｋ（＝Ｖｃ／Ｖｄ）は、導電性粒子ｍの接触時間と単位時間当たりの帯電総量を定めるファクターとなる。
【００５２】
本実施例では、帯電ローラ２と感光ドラム１とのニップ部Ｎの幅Ｗは帯電ローラ２の径を振ることで約０．５〜５．０ｍｍの値をとることができるようにした。また、帯電ローラ２は感光ドラム１の回転駆動装置は各々任意に回転数を変えられるように構成した。
【００５３】
帯電ローラ２の表面の導電性粒子ｍの密度Ｎｃ（個／ｍｍ２）は、使用時の帯電ローラ２に上記接触を形成するのと同じ条件でスライドガラスを当接させ、その当接面を光学顕微鏡で観察し、１０μｍ平方あたりの導電性粒子ｍのカウント数を１０ポイント程度平均することで求めた。光学的に導電性粒子ｍの数をカウントすることが困難な場合は、ＳＥＭの蛍光Ｘ線分析での元素分析により、先と同様に定められた面積あたりの導電性粒子ｍに固有に含まれる物質量を１０ポイント程度測定し、その平均値を予め求めておいた換算式で、粒子個数を概算して決定した。
【００５４】
（６）注入帯電機構の論理的考察
以下、図４〜６を用いて本発明に従う注入帯電機構の論理的考察を説明する。
【００５５】
感光体表面で１個の導電性粒子ｍによる注入帯電の様子を、図４を用いて説明する。
【００５６】
図４は帯電ローラ２と感光ドラム１とのニップ部Ｎのある瞬間における導電性粒子ｍ近傍の状態を表したもので、導電性粒子ｍから距離ｒ（ｍｍ）離れた微小領域ΔＳに、導電性粒子ｍから感光体表面を伝って電荷Ｑ（Ｃ）が注入されることを想定したものである。
【００５７】
微小領域ΔＳのドラムの静電容量をＣ（Ｆ）とし、距離ｒ（ｍｍ）の間の感光体表面に沿った抵抗値をＲ（Ω）とすると、微小領域ΔＳを目標電位Ｅ（Ｖ）に帯電する場合の図４の等価回路は図５のように表される。この等価回路を、時間を変数として充電電荷Ｑ（Ｃ）にしたがって解くと、よく知られた以下の式で表される。
【００５８】
Ｑ＝ＣＥ｛１−ｅｘｐ（−ｔ／ＲＣ）｝
上式でＲＣは時定数と呼ばれ時間（ｓｅｃ）の単位を持ち、充電時間ｔ（ｓｅｃ）が時定数ＲＣの何倍になるかによって、目標電位Ｅ（Ｖ）の何％の電位になるかがわかる。
【００５９】
ｔ＝α・ＲＣ
として、充電時間ｔ（ｓｅｃ）が時定数ＲＣのα倍のとき充電電位が目標電位に対して何％（Ｘ％）になるかを表１に示す。以下、αを時間係数と呼ぶ。
【００６０】
【表１】
2004004783.tif 000006
【００６１】
表１に示すように、理論上はαが時定数ＲＣの５倍のとき９９％を超え、時定数ＲＣの９倍のとき約９９．９９％となる。本発明の構成では、導電性粒子ｍが帯電ローラ２上から動かず固定されていると仮定すると、導電性粒子ｍが感光ドラム１に触れている時間ｔの上限は、ニップ部Ｎの幅Ｗ（ｍｍ）を通過する時間、すなわち、Ｔｃ＝Ｗ／Ｖｃ（ｓｅｃ）である。したがって、Ｔｃが時定数ＲＣを大幅に上回る値であれば十分に注入帯電が可能であることが示唆され、ほぼ等しい場合（α≒１）には注入帯電が不十分になる可能性が高くなることがわかる。
【００６２】
上記をさらに詳細に検討する。まず、１つの導電性粒子ｍが充電しなければならない面積を算出する。
【００６３】
帯電ローラ２の長手方向長をＬ（ｍｍ）、延べ帯電時間ｔ０（ｓｅｃ）とすると、
帯電ローラ２の接触延べ面積（ｍｍ２）：
Ｓｃ＝Ｌ・（Ｖｃ・ｔ０＋Ｗ）・・・式１
感光ドラム１の接触延べ面積（ｍｍ２）：
Ｓｄ＝Ｌ・（Ｖｄ・ｔ０＋Ｗ）・・・式２
感光ドラム１上の単位面積に接触する導電性粒子ｍの個数：Ｎｄ（個／ｍｍ２）とすると、
Ｎｄ＝Ｎｃ・Ｓｃ／Ｓｄ
本発明の条件下では、Ｖｃ・ｔ０≫Ｗ，Ｖｄ・ｔ０≫Ｗ、であることから、Ｗは無視できるのでＷ＝０として、式１、２を代入すると、
2004004783.tif 000007
１つの導電性粒子ｍが充電しなければならない面積は、上記のＮｄの逆数である。この面積の形状が、半径ｒｃ（ｍｍ）の円であると仮定すると、
π（ｒｃ）２＝１／Ｎｄ
であるので、ｒｃは以下のようになる。
【００６４】
ｒｃ＝（πＮｄ）−１／２・・・式４
感光体の単位面積あたりの静電容量をＣｄ（Ｆ／ｍｍ２）とすると、１つの導電性粒子ｍが充電しなければならない面積の静電容量Ｃ（Ｆ）は、以下のようになる。
【００６５】
Ｃ＝Ｃｄ／Ｎｄ＝Ｃｄ／（Ｎｃ・ｋ）・・・式５
次に１つの導電性粒子ｍが充電しなければならないに感光ドラム１の面積の表層の抵抗を考察する。
【００６６】
図６に示すように、一般に半径ｒ（ｍｍ）の外径を持つ円電極と、この円電極と同一中心を持つ半径ｒ＋Δｒ（ｍｍ）の内径を持つ電極の間の抵抗ΔＲ（Ω）はΔｒ（ｍｍ）が小さい場合は、表面抵抗率ρ０（Ω）とすると以下の式で表される。
【００６７】
ΔＲ≒ρ０・Δｒ／（２πｒ）
Δｒ（ｍｍ）→０の極限では、半径ｒ（ｍｍ）の電極の半径方向の抵抗の増分ｄＲ（Ω）は、以下のようになる。
【００６８】
ｄＲ／ｄｒ＝ρ０／（２πｒ）
導電性粒子ｍがある瞬間に感光ドラム１に接触している面積が半径Ａ（ｍｍ）の円であると仮定したとき、上記の１つの導電性粒子ｍが充電しなければならない面積の円換算半径ｒｃ（ｍｍ）の抵抗値Ｒ（Ω）は、上記の式をＡ（ｍｍ）からｒｃ（ｍｍ）まで積分して以下のように示される。
【００６９】
Ｒ＝（ρ０／２π）・｛ｌｎ（ｒｃ）−ｌｎＡ｝・・・式６
（ここでｌｎは、自然対数のことである。）
表面抵抗率ρ０（Ω）を前述の測定法による表層の抵抗率ρ（Ω）で置き換えると、上記から、導電性粒子ｍ１個あたりの充電面積を円換算したモデルでは、式６に式３、式４、式５を代入すると、時定数ＲＣが以下のように求められる。
【００７０】
ＲＣ＝（ρ／２π）・Ｃｄ／（Ｎｃ・ｋ）・［−０．５・ｌｎ（π・ｋ・Ｎｃ）−ｌｎＡ］
よって、時間係数αは、ｔ＝α・ＲＣ、ｔ＝Ｗ／Ｖｃであることより以下の式で示される。
【００７１】
α＝２π・ｋ・Ｎｃ・（Ｗ／Ｖｃ）／（ρ・Ｃｄ・Ｚ）
Ｚ＝−０．５・ｌｎ（π・ｋ・Ｎｃ）−ｌｎＡ
上記の式で、Ａは導電粒子ｍの想定上の接触面積を示すパラメータであって、任意の値を取れる。しかしながら、αを指標として意味のある値にするには、その基準としてふさわしい値をとる必要があり、以下のような制約を満たすことが望ましい。
【００７２】
１．用いる導電粒子ｍの粒径Ｄに相関を持つ値を取る必要がある。
【００７３】
２．現実に接触可能な導電性粒子ｍの個数（上限値）を考慮する必要がある。
【００７４】
３．αを時定数に関連付けているため、想定可能なほとんどの場合にＺが負の値をとらないようにしなければならない。
【００７５】
上記の制約以外は単純化した理想的な状況を想定しても問題ない。ここで、導電性粒子ｍが十分にあり、導電性粒子ｍが接触した部分は、感光ドラム１と帯電ローラ２の相対速度が零でも（ｋ＝１）すべて帯電されるような理想的な状況を想定する。また、粒径Ｄの球体導電粒子ｍが帯電ローラ２上を最密充填している時に、導電粒子ｍの１個が充電しなければならない感光ドラム１の面積（１／Ｎｄ）にすべて接触する（導電粒子ｍが直接電荷を注入可能な）状況を想定した。剛体として帯電ローラ２上を隙間なく埋めた球体導電粒子ｍが、感光ドラム１と帯電ローラ２の間で潰れて、感光ドラム１上に隙間なく接触するような状況を想定すればよい。
【００７６】
上記の想定では、前述の面積（１／Ｎｄ）の円換算面積：π・ｒｃ２（ｍｍ２）と、粒径Ｄの球体導電粒子ｍが感光ドラム１に投影する面積：π・（Ｄ／２）２（ｍｍ２）とは、最密充填率σ（＝０．８３８７）と以下の関係にある。
【００７７】
π・ｒｃ２：π・（Ｄ／２）２＝１：σ
上記の想定では、Ａ＝ｒｃに他ならないため、β＝σ−１とすると、以下のようになる。
【００７８】
【式７】
2004004783.tif 000008
【００７９】
注入帯電性が良好な場合は、導電性粒子ｍがニップ部Ｎの幅Ｗを通過する時間よりもはるかに短い時間で注入帯電が完了してしまうため、上記のモデルに良く従う。ここで注意すべきは、注入帯電性が劣り時間がかかるほど、もしくは接触時間が短くなるほど上記モデルから外れていくことである。よって、表１に示した時間係数αとＸ％の相関はαが小さくなるほどズレが生じる。例えば、αの値が５であったとしても９９％の帯電ができている保証はない。しかしながら、逆に上記モデルから外れていくほど注入帯電性が劣り上記の時間係数αの値は０に収束していくので、注入帯電性の指標値としての有効性は保たれる。
【００８０】
上記から、注入帯電性が保たれるか否かのαの閾値を新たに定める必要がある。
【００８１】
（７）時間係数αの閾値の決定
本実施例の画像形成装置で、時間係数αのパラメータを振って注入帯電性を調べ、前述のαの閾値を決定する。注入帯電がしにくい状況として、感光層が薄い場合（感光ドラム１が消耗した場合など）や、導電性粒子ｍの密度Ｎｃが１００〜１０００（個／ｍｍ２）のオーダーまで少なくなった場合を想定した。この状況下で、以下に示す表題のパラメータを変えて、前述の時間係数αを求め、そのときの注入帯電の成否（主に画像を形成したときの帯電ムラの有無、ドラム上カブリの状況）などを比較した。
【００８２】
Ａ．表層の抵抗率：ρを変化させた結果を以下に示す。
【００８３】
その他のパラメータは以下のとおり、
感光ドラムの膜厚　　　　　：Ｙ　≒１０（μｍ）
単位面積あたりの静電容量　：Ｃｄ≒３．９８×１０−１２（Ｆ）
導電性粒子ｍの直径　　　　：Ｄ　＝０．５（μｍ）
ニップ幅　　　　　　　　　：Ｗ　＝２．０（ｍｍ）
帯電ローラ２の周面速度　　：Ｖｃ＝８５．５（ｍｍ／ｓｅｃ）
感光ドラム１の周面速度　　：Ｖｄ＝１７１（ｍｍ／ｓｅｃ）
周面速度比率　　　　　　　：ｋ　＝０．５
導電性粒子の密度　　　　　：Ｎｃ≒１０００（個／ｍｍ２）
【００８４】
【表２】
2004004783.tif 000009
【００８５】
表２に示すように、感光体表層の抵抗率ρ（Ω）を変化させると、若干のばらつきがあるものの時間係数αがおおよそ７〜９の間に帯電ムラの閾値が存在す
る。おおむねα＞１２では、良好な帯電結果となる。
【００８６】
Ｂ．帯電ローラ上の導電性粒子の粒径：Ｄおよび密度：Ｎｃを変化させた結果を以下に示す。その他のパラメータは以下のとおり、
表層の抵抗率　　　　　　　：ρ　＝３．０１×１０１１（Ω）
感光ドラムの膜厚　　　　　：Ｙ　≒１０（μｍ）
単位面積あたりの静電容量　：Ｃｄ≒３．９８×１０−１２（Ｆ）
ニップ幅　　　　　　　　　：Ｗ　＝２．０（ｍｍ）
帯電ローラ２の周面速度　　：Ｖｃ＝８５．５（ｍｍ／ｓｅｃ）
感光ドラム１の周面速度　　：Ｖｄ＝１７１（ｍｍ／ｓｅｃ）
周面速度比率　　　　　　　：ｋ　＝０．５
【００８７】
【表３】
2004004783.tif 000010
【００８８】
表３は、導電性粒子の粒径Ｄおよび密度Ｎｃを変化させた結果を示したものである。時間係数αが低いほど帯電不良や、帯電ムラが発生しやすくなる。帯電ムラ発生の閾値は、ばらつきがあるが時間係数αで１０前後と認められる。
【００８９】
Ｃ．ニップの周方向幅：Ｗを変化させた結果を以下に示す。
【００９０】
帯電ローラの径に合わせて帯電ローラの周面速度Ｖｃが一定になるよう駆動回転数を調整した。感光ドラム１に対する押し付け圧力もほぼ一定になるように調整している。その他のパラメータは以下のとおり、
表層の抵抗率　　　　　　　：ρ　＝３．０１×１０１１（Ω）
感光ドラムの膜厚　　　　　：Ｙ　≒１０（μｍ）
単位面積あたりの静電容量　：Ｃｄ≒３．９８×１０−１２（Ｆ）
帯電ローラの周面速度　　　：Ｖｃ＝８５．５（ｍｍ／ｓｅｃ）
感光ドラムの周面速度　　　：Ｖｄ＝１７１（ｍｍ／ｓｅｃ）
周面速度比率　　　　　　　：ｋ　＝０．５
導電性粒子の密度　　　　　：Ｎｃ≒７７５（個／ｍｍ２）
導電性粒子ｍの直径　　　　：Ｄ　＝１．３（μｍ）
【００９１】
【表４】
2004004783.tif 000011
【００９２】
表４は、帯電ローラの径を変えて、感光ドラム１と帯電ローラ２間のニップ幅を変化させたものである。帯電ムラ発生の閾値は、時間係数αで１２前後である。
【００９３】
Ｄ．帯電手段の周面速度：Ｖｃ、像担持体の周面速度：Ｖｄを変化させた結果を以下に示す。その他のパラメータは以下のとおり、
2004004783.tif 000012
【００９４】
【表５】
2004004783.tif 000013
【００９５】
表５は、現像装置本体の駆動を制御して、各々の周面速度：Ｖｄ（ｍｍ／ｓｅｃ）、Ｖｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）を変化させたものである。表中下２段の［＊］の付いたものは、ニップ幅Ｗが５．０（ｍｍ）の帯電ローラ２を用いた場合を示している。
【００９６】
表中の上から６段までの比較から、帯電ムラ発生の閾値は、時間係数αで１０〜１２の間と認められる。
【００９７】
なお、周面速度Ｖｄが８６ｍｍ／ｓｅｃの場合に示すように、αが２０前後もしくはそれ以上であっても、導電性粒子ｍがニップ部Ｗの中に留まる時間Ｔｃ（＝Ｗ／Ｖｃ）が長くなるような設定をすると、縦スジ状のムラが発生する場合がある。これは、全体として注入帯電性は十分に高いが、注入帯電に寄与する導電性粒子ｍの個数が少なくなるため、導電性粒子ｍの分布の偏りに応じて帯電均一性が損なわれるためと考えられる。
【００９８】
表中の下から５段までの比較から、Ｔｃは０．３（ｓｅｃ）以下が好ましい。
【００９９】
以上Ａ〜Ｄで述べたように、注入帯電不良に関わる画像不良発生の時間係数αの閾値は、パラメータによって若干のばらつきがあるが、αが１０〜１３の間に存在している。よって、本発明の関係式によって求められる時間係数αが余裕を見込んで１５以上になるように各パラメータを調整することで、注入帯電における帯電不良を回
避することができる。
【０１００】
（８）各パラメータの適応範囲
本実施例で用いた感光体は電荷注入層１６を有する感光体であるが、これは表層の抵抗率ρを変化させやすいために導入したに過ぎず、電荷注入層がない通常の感光層を持つ感光体やアモルファスシリコン感光体でもよい。ただし、表層の抵抗率ρの下限は、いずれの感光体によらず、高湿度環境の静電潜像維持の観点から１０９（Ω）以上が必要である。本発明では、α＞１５を満たせば、表層の抵抗率ρの上限の規定はないが、ρの値が増大するほどρ以外のパラメータの設定条件は狭まることになる。
【０１０１】
表層の抵抗率ρは時間係数αに関わるパラメータの中でも、初期設定で決まる主要なものである。表層の抵抗率ρ以外のパラメータの設定条件を広げるためには、表層の抵抗率ρは以下の範囲であることが望ましい。
【０１０２】
１．０×１０９＜ρ＜５．０×１０１１（Ω）
なお、本発明の実施例の像担持体は円筒アルミの周上に感光層を形成した直径３０ｍｍの感光ドラムを用いたが、径の大きさは当然ながらこれに限定されるものではなく、画像形成上必要な任意の大きさを取ることができる。また形状も円筒ドラムに限るものではなくシームレスベルト等の形状のものに代換可能である。
【０１０３】
本発明の導電性粒子を担持する帯電手段は、実施例に示したウレタン樹脂に導電性カーボンブラック粒子を分散した弾性発泡体に限らず、ＥＰＤＭ，ＮＢＲ，ウレタン、シリコーンなどのゴム材料やその発泡体でもよく、導電性粒子たる導電性粒子ｍを表面に保持可能で電荷注入に支障のない程度の抵抗値を有するものであればよい。もちろん外径の大きさは任意に定めてよい。形状もローラ形状が使用しやすいが、本発明の趣旨に沿い、像担持体と速度差を持って一定の接触領域を維持できるならば、これに限るものではない。
【０１０４】
導電性粒子たる導電性粒子は、実施例中に示した酸化スズに限らず、酸化亜鉛，酸化チタン，酸化アンチモン，酸化インジウム，酸化ビスマス，他の金属酸化物をドープした酸化ジルコニウムなど金属酸化物系の導電性粒子や、前記の酸化物微粒子やグラファイトなどを混合して抵抗調整した有機樹脂粒子などが使用可能である。
【０１０５】
時間係数α＞１５を満たしても、帯電不良となる導電性粒子の密度Ｎｃ（個／ｍｍ２）の下限は存在し、本実施例では、おおよそ５０〜７０（個／ｍｍ２）以下になると縦スジ状のムラになる。これは、導電性粒子の分布に偏りが生じた場合に全帯電領域をカバーしきれないために生じるもので、時間係数α＞１５を満たした上でほぼ確実に帯電領域をカバーできる下限は１００（個／ｍｍ２）である。導電性粒子の密度Ｎｃ（個／ｍｍ２）の上限は、帯電手段全面を導電性粒子が覆った状態であり、導電性粒子を球体としてその最密充填状態を想定すると、５μｍの粒子で２．１４×１０４（個／ｍｍ２）、０．５μｍの粒子で５．３４×１０６（個／ｍｍ２）となる。これより多い分は理論的には直接感光層に触れていないものであり、本発明の接触モデルの適用範囲外である。
【０１０６】
電荷注入助剤としての働きの上で導電性粒子の大きさは特に規定されないが、０．１μｍ以下では帯電手段の内部に埋もれてしまうものや、現像剤に付着してしまうものが多く、像担持体への接触状況が本発明の接触モデルに適合しない。また、現像剤の粒径より大きくなるほど、帯電手段から脱離しやすく、その一部が像担持体に付着した場合に潜像露光を妨げるなどの弊害が顕著になることが知られている。よって、本発明では、本発明の導電性粒子の接触モデルに適合してかつ他の弊害を起こさない範囲として、導電性粒子の粒径は０．５μｍ以上でかつトナーの粒径以下であることが望ましい。
【０１０７】
本発明において、像担持体と帯電手段のニップ幅Ｗ（ｍｍ）は、接触時間を定める重要なファクターである。必要なニップ幅Ｗ（ｍｍ）の注入帯電性の観点からは上限値は存在しない。しかしながら、本実施例Ｃで５．０ｍｍの幅を確保した時の帯電ローラの直径は２４ｍｍであり、従来の放電に依る帯電で用いられる帯電ローラの直径に比べて非常に大きなものとなる。ニップ幅Ｗを５．０ｍｍ以上に増やす方法として帯電ローラの硬度を下げるか、感光体に押し当てる力を増やすなどが考えられるが、ニップ内部の当接圧力がニップの中央部と端部で大幅に異なることや、駆動負荷がかなり大きくなることが予想され、装置構成上機械的，力学的に過大な負担が掛かり現実的でない。また、実施例のＤの表５で示したように、帯電粒子が必要以上（Ｔｃ＜０．３（ｓｅｃ））にニップ部Ｗの中に留まるとスジ状の画像不良を起こしやすいことが確認された。ニップ幅Ｗの好ましい範囲は２．０〜５．０（ｍｍ）である。
【０１０８】
本実施例では、帯電手段周面を像担持体周面と逆方向に回転させる例を示したが、同一方向に回転させても差し支えない。理論的には同一方向に回転させても本発明の接触モデルが適応可能であり、導電性粒子を用いた接触注入帯電方式において帯電手段と像担持体との駆動方向を限定する意味はない。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、導電性粒子を用いた接触注入帯電方式の帯電条件をあらかじめ検証でき、様々な状況に応じた個々のパラメータの設計上の適応範囲を予測して帯電の環境安定性，耐久安定性の高い帯電システム、画像形成装置およびプロセスユニットを提供することができる。
【０１１０】
本発明は、以上の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内においてあらゆる変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の画像形成装置の概略構成模型図
【図２】使用した感光ドラムの層構成模型図
【図３】感光層表層の抵抗率の測定方法説明図
【図４】本発明の注入帯電状況のモデル説明図
【図５】図４の等価回路図
【図６】感光層表層の抵抗算定方式の説明図
【符号の説明】
１・・感光体、２・・帯電ローラ、２ａ・・芯金、２ｂ・・弾性体ローラ、ｍ・・導電性粒子、３・・現像装置、３ａ・・現像剤（トナー）、３ｂ・・現像スリーブ、３ｃ・・マグネット、３ｄ・・規制ブレード
【図１】
2004004783.tif 000018
【図２】
2004004783.tif 000019
【図３】
2004004783.tif 000020
【図４】
2004004783.tif 000021
【図５】
2004004783.tif 000022
【図６】
2004004783.tif 000023