ベルト冷却装置および画像形成装置
【課題】転写定着一体方式の画像形成装置に用いられ、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できる冷却装置を提供する。
【解決手段】ベルト冷却装置である電子放出装置３１は、電子放出素子３０と、電子放出素子３０の電子加速層３０３にて電子を加速させ、薄膜電極３０２から電子が放出するように、電極基板３０１と薄膜電極３０２との間に電圧を印加する第１電源１Ｖと、薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間に電圧を印加する第２電源Ｖ２と、を備えている。薄膜電極３０２は、中間転写ベルト２１と対向して配置され、電子加速層３０３は、抗酸化力が高い金属微粒子と、金属微粒子の大きさより大きい絶縁体の微粒子とを含んでいる。
【解決手段】ベルト冷却装置である電子放出装置３１は、電子放出素子３０と、電子放出素子３０の電子加速層３０３にて電子を加速させ、薄膜電極３０２から電子が放出するように、電極基板３０１と薄膜電極３０２との間に電圧を印加する第１電源１Ｖと、薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間に電圧を印加する第２電源Ｖ２と、を備えている。薄膜電極３０２は、中間転写ベルト２１と対向して配置され、電子加速層３０３は、抗酸化力が高い金属微粒子と、金属微粒子の大きさより大きい絶縁体の微粒子とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無端ベルト上に中間転写されたトナー像を記録媒体に転写すると同時に定着する、転写定着一体方式を用いた画像形成装置に設置されるベルト冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の画像形成プロセスを利用する画像形成装置では、一般的に、潜像担持体である感光体表面の感光層を均一に帯電させる帯電工程、帯電された感光体表面に原稿像の信号光を投射して静電潜像を形成する露光工程、感光体表面の静電潜像に電子写真用トナーを供給して顕像化する現像工程、感光体表面のトナー像を中間転写媒体を介して紙あるいはＯＨＰシートなどの記録媒体に転写する転写工程、トナー像を加熱や加圧などにより記録媒体上に定着させる定着工程、およびトナー像転写後の感光体表面に残留するトナーなどをクリーニングブレードにより除去して清浄化するクリーニング工程、を実行して記録媒体上に所望の画像を形成する。
【０００３】
ここで、感光体表面のトナー像を中間転写媒体を介して紙あるいはＯＨＰシートなどの記録媒体に転写する方式では、中間転写媒体上のトナー像を完全に記録媒体に転写させることは困難であり、トナーが一部中間転写媒体上に残留するのが現状である。このトナーの残留量は中間転写媒体上に形成されたトナー像の層厚によって異なるため、カラー画像を形成する際に、記録媒体上に形成されるカラー画像の色バランスがずれ、所望のカラー画像が得られない場合がある。また、記録媒体である紙の表面凹凸のため、紙と中間転写媒体とが完全に密着せず、不均一なギャップが生じ、画像の品質が劣化する。
【０００４】
このような問題に対して、中間転写媒体上にトナー画像を溶融した後、記録媒体にその溶融したトナー像を転写するとともに定着する転写定着一体方式がある。しかしながら、この転写定着一体方式は、中間転写媒体である中間転写ベルトが加熱加圧され、転写定着部を通過した中間転写ベルトの熱が潜像担持体である感光体およびトナーを供給する現像槽等の画像記録部に伝わり、感光体の劣化、トナーの凝集等といった問題が生じる。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１では、中間転写ベルトに設置する転写定着部の位置を画像記録部から遠ざけたり、水冷方式の冷却装置を設置したりする画像形成装置が開示されている。また、特許文献２では、転写定着部の下流のベルトの内面に、ペルチェ素子や冷却フィンを押し付けて設置することによって、省スペースで冷却する電子写真装置が開示されている。さらに、転写定着一体方式ではないが、一般的な画像形成装置において、特許文献３では、定着部を覆うカバーに放電装置を設置することによってイオン風を発生させ、定着部から放出される熱気や水蒸気を効率的に機外に排出する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５０３５７号公報（平成１３年１２月２１日公開）
【特許文献２】特開平５−２７６０３号公報（平成５年２月５日公開）
【特許文献３】特開２００７−８６１２３号公報（平成１９年４月５日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の画像形成装置では、冷却が不十分であり、十分に冷却するにはスペースが多く必要であるという課題を有している。また、特許文献２に開示の電子写真装置では、循環移動する転写ベルトに冷却装置が接触するため、転写ベルトの摩擦係数を減少させる表面処理を行う必要があり、冷却効率が低くなる。また、長期間の使用または高速回転に耐え得ることができない可能性も考えられる。また、これらの冷却装置は転写ベルトに接しなければ、冷却効率はさらに低くなる。さらに、特許文献３に開示の技術では、放電に伴ってオゾンが発生する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、転写定着一体方式の画像形成装置に用いられ、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースでオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できるベルト冷却装置、およびこの冷却装置を備えた画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記課題を解決するために、像担持体に形成されたトナー像を無端ベルトに中間転写する中間転写手段と、無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、を備えた画像形成装置の、上記無端ベルトを冷却するため、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、ベルト冷却装置であって、電極基板、薄膜電極、および該電極基板と該薄膜電極とに挟まれた電子加速層、を有する電子放出素子と、上記電子加速層にて電子を加速させ、上記薄膜電極から当該電子が放出するよう、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、上記薄膜電極と上記無端ベルトとの間に電圧を印加する第２電圧印加手段と、を備え、上記薄膜電極は、上記無端ベルトと対向して配置され、上記電子加速層は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいることを特徴としている。
【０００９】
上記構成によると、電子放出素子が薄膜電極から電子を放出すると、その電子が電子放出素子と無端ベルトとの間に介する空気に衝突し、空気分子がイオン化される。このイオン化された空気分子が電界に沿って移動することによりイオン風が発生し、そのイオンが無端ベルトに到達することにより、無端ベルト表面の加熱された空気分子が撹拌され、熱交換が起こる。その結果、中間転写ベルト２１が冷却される。そのため、無端ベルトにベルト冷却装置を接触させることなく、省スペースで、熱変換を行い、転写定着時に加熱された無端ベルトを効果的に冷却できる。このような電子放出素子を転写定着時に加熱された無端ベルトを冷却する手段として用いることにより、従来の冷却ファンと比べて、冷却効果を数倍に高められる。また、水冷を使った場合と比べて、省スペースで効果的に冷却できる。また、ペルチェ素子やヒートシンクのような接触型冷却手段よりも空間熱変換に優れ、電力効率がよい。さらに、無端ベルトに接触しないため循環する無端ベルトを磨耗することがなく、表面処理を施す必要もない。
【００１０】
また、上記構成によると、電子加速層には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれている。ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔＧ［ｋＪ／ｍｏｌ］値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。本発明ではΔＧ＞−４５０［ｋＪ／ｍｏｌ］以上に該当する金属元素が、抗酸化力の高い導電微粒子として該当する。また、該当する導電微粒子の周囲に、その導電微粒子の大きさよりも小さい絶縁体物質を付着、または被覆することで、酸化物の生成反応をより起こし難くした状態の導電微粒子も、抗酸化力が高い導電微粒子に含まれる。
【００１１】
この電子加速層は、絶縁体物質と抗酸化力が高い導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。
【００１２】
また、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。また、絶縁体物質および導電微粒子は、電子加速層における抵抗値および弾道電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、絶縁体物質は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割を受け持つことができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。
【００１３】
この電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わず、オゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、この電子放出素子を用いた本発明に係るベルト冷却装置は、従来の放電によるイオン発生装置とは異なり、オゾンを発生させることなく安定してイオン風を発生させることができる。
【００１４】
以上のように、本発明に係るベルト冷却装置は、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止することができる。
【００１５】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記構成に加え、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に、上記無端ベルトの移動方向と逆方向に送風する送風装置を備えていてもよい。
【００１６】
電子放出素子により発生したイオン風が無端ベルトに到達することにより、無端ベルト表面の空気分子が撹拌される。その際、送風装置を設置することによって、熱交換後の空気分子を排除し、常に電子放出素子から発生したイオン風を無端ベルトに到達させることができ、効果的に冷却することができる。ここで、電子放出素子と無端ベルトとは近距離であるため、電子放出素子から発生したイオン風は送風装置を用いることなく無端ベルトに到達することができる。ここで、送風装置を用いることで、熱交換された無端ベルト上の熱い空気分子を排除し、常に新しいイオン風を無端ベルトに接触させることができる。また、送風が無端ベルトの移動方向と逆方向であるため、現像部の上流部を最も効果的に冷却することができる。つまり、熱交換された熱い空気分子が現像部へ進入することを防ぐと同時に、現像部直前の無端ベルト上に最も効率的に新しいイオン風を接触させることができる。
【００１７】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記導電微粒子を成す導電体は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子を成す導電体が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、ベルト冷却装置の長寿命化を図ることができる。
【００１８】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１９】
導電微粒子の酸化膜が厚くなるとトンネル効果の妨げになるため、導電微粒子を成す導電体は、酸化しにくい金属である必要がある。従って、導電微粒子を成す導電体として、金、銀、白金、ニッケル、およびパラジウムの少なくとも１つを用いることによって、大気中の酸素による酸化をより効果的に防ぐことができる。よって、ベルト冷却装置の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２０】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記構成に加え、上記絶縁体物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいてもよい。
【００２１】
上記構成により、絶縁体物質が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いため、上記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。抵抗値が高くなるに伴い、電子放出素子内の電流が流れにくくなり、電子放出量が少なくなる。逆に抵抗が低くなるに伴い、電子が加速することなく導通し、電子放出量が少なくなる。したがって、抵抗値を調整することによって、電子放出素子内の電流と電子加速とを制御し、電子放出量を制御することができる。また、絶縁体物質として酸化物（ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の）を用いる場合には、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難くする効果も得ることができるため、本発明のベルト冷却装置の大気圧中での安定動作を、より効果的に行わせることができる。
【００２２】
ここで、上記絶縁体物質は微粒子であってもよい。上記絶縁体物質を微粒子とすることにより、上記絶縁体物質の大きさよりも小さい上記導電微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００２３】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいてもよい。上記薄膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つが含まれることによって、これら物質は仕事関数が低いため、電子加速層で発生させた電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。
【００２４】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記構成に加え、上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在してもよい。このように、上記電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在することは、電子放出素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献する他、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする電子放出素子の劣化を、より効果的に防ぐことができる。よって、ベルト冷却装置の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２５】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記導電微粒子の周囲に存在する絶縁体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいてもよい。上記導電微粒子の周囲に存在する絶縁体物質が、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいると、電子放出素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲に存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。よって、ベルト冷却装置の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２６】
ここで、本発明に係るベルト冷却装置では、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、上記導電微粒子表面に付着して付着物質として存在するものであり、当該付着物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい形状の集合体として、上記導電微粒子表面を被膜していてもよい。このように、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が、上記導電微粒子表面に付着あるいは、上記導電微粒子の平均径より小さい形状の集合体として、上記導電微粒子表面を被膜していることで、電子放出素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲に存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。その結果、ベルト冷却装置の長寿命化をさらに効果的に図ることができる。
【００２７】
本発明に係る画像処理装置は、上記課題を解決するために、像担持体からトナー像を無端ベルト上へ中間転写する中間転写手段と、上記無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、上記いずれか１つのベルト冷却装置と、を備えたことを特徴としている。
【００２８】
上記構成によると、本発明に係るベルト冷却装置を、転写定着時に加熱された無端ベルトを冷却する手段として用いるため、無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できる転写定着一体方式の画像形成装を提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るベルト冷却装置は、以上のように、電極基板、薄膜電極、および該電極基板と該薄膜電極とに挟まれた電子加速層、を有する電子放出素子と、上記電子加速層にて電子を加速させ、上記薄膜電極から当該電子が放出するよう、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、上記薄膜電極と上記無端ベルトとの間に電圧を印加する第２電圧印加手段と、を備え、上記薄膜電極は、上記無端ベルトと対向して配置され、上記電子加速層は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいる。
【００３０】
上記構成によると、電子放出素子が薄膜電極から電子を放出すると、その電子が電子放出素子と無端ベルトとの間に介する空気に衝突し、空気分子がイオン化される。このイオン化された空気分子が電界に沿って移動することによりイオン風が発生し、そのイオンが無端ベルトに到達することにより、無端ベルト表面の加熱された空気分子が撹拌され、熱交換が起こる。その結果、中間転写ベルト２１が冷却される。そのため、無端ベルトにベルト冷却装置を接触させることなく、省スペースで、熱変換を行い、転写定着時に加熱された無端ベルトを効果的に冷却できる。このような電子放出素子を転写定着時に加熱された無端ベルトを冷却する手段として用いることにより、従来の冷却ファンと比べて、冷却効果を数倍に高められる。また、水冷を使った場合と比べて、省スペースで効果的に冷却できる。また、ペルチェ素子やヒートシンクのような接触型冷却手段よりも空間熱変換に優れ、電力効率がよい。さらに、無端ベルトに接触しないため循環する無端ベルトを磨耗することがなく、表面処理を施す必要もない。
【００３１】
また、上記構成によると、電子放出素子の電子加速層には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれている。この電子加速層は、絶縁体物質と抗酸化力が高い導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。また、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。絶縁体物質および導電微粒子は、電子加速層における抵抗値および弾道電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、絶縁体物質は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割を受け持つことができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。この電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わず、オゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、この電子放出素子を用いた本発明に係るベルト冷却装置は、従来の放電によるイオン発生装置とは異なり、オゾンを発生させることなく安定してイオン風を発生させることができる。
【００３２】
以上のように、本発明に係るベルト冷却装置は、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に本発明の実施の形態について図１〜５に基づいて説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。
【００３４】
図１は、本発明の実施の一形態である画像形成装置１０の中間転写ベルト２１付近の構成を模式的に示す断面図である。画像形成装置１０は、複写機能、プリンタ機能およびファクシミリ機能を併せ持つ複合機であり、伝達される画像情報に応じて、記録媒体上にフルカラーまたはモノクロの画像を形成する。すなわち、画像形成装置１０は、コピアモード（複写モード）、プリンタモードおよびＦＡＸモードの３種の印刷モードを有しており、図示しない操作部からの操作入力、パーソナルコンピュータ、携帯端末装置、情報記録記憶媒体、メモリ装置を用いた外部機器からの印刷ジョブの受信などに応じて、図示しない制御部により、上記いずれかの印刷モードが選択される。
【００３５】
画像形成装置１０は、トナー像形成部１と、転写定着部２と、冷却部（ベルト冷却装置）３とを含む。なお、画像形成装置は、他に、光学系ユニット、給紙部等を備え、さらにこれらの部材を収容する筐体を備えているが、説明は割愛する。
【００３６】
トナー像形成部１は、カラー画像情報に含まれるブラック（ｂ）、シアン（ｃ）、マゼンタ（ｍ）およびイエロー（ｙ）の各色の画像情報にそれぞれ対応するために、４つ設けられる。４つのトナー像形成部１は、それぞれ、感光体１１と、帯電手段１２と、現像手段１３と、クリーニングユニット１４とを含む。それぞれの現像手段１３には、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色トナーが収容される。ここで、後述のように、中間転写ベルト２０は、冷却部３のある冷却領域からのトナー像形成部１のある転写領域に至る間に、ベルト表面に残留する電子をリークさせるために導電性を有するベルトを用いて形成されており、トナーの極性は限定されない。
【００３７】
転写定着部２は、感光体１１の上方に配置され、中間転写ベルト２１と、転写定着ローラ（転写定着手段）２２と、駆動ローラ２３と、中間転写ローラ（中間転写手段）２４と、転写ベルトクリーニングユニット２５と、加圧ローラ２６とを含む。中間転写ベルト２１は、転写定着ローラ２２と、駆動ローラ２３とによって張架されてループ状の移動経路を形成する無端ベルト状部材である。中間転写ベルト２１は図２において矢符Ａの方向に回転駆動される。
【００３８】
ここで、転写定着ローラ２２は、内部に発熱体を有しており、中間転写ローラ２２上にトナー像を溶融した後、記録媒体にその溶融したトナー像を転写定着させる。
【００３９】
画像形成装置１０による画像形成の工程は次のようになる。まず、感光体１１表面を帯電手段１２が一様に帯電した後、帯電した感光体１１の表面を図示しない光学系ユニットが画像情報に応じてレーザー露光して静電潜像を形成する。続いて、現像手段１３が感光体１１上の静電潜像をトナーによって現像し、顕像化により得られたトナー像を、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された中間転写ローラ２４が中間転写ベルト２１上に転写する。これにより、ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー、それぞれのトナー像が、それぞれ中間転写ベルト２１上に転写される。
【００４０】
中間転写ベルト２１上のトナー像は、転写定着ローラ２２まで搬送され、別途、図示しない給紙部から給紙された記録媒体に対して、転写定着される。このとき、中間転写ベルト２１上のトナー像は、転写定着ローラ２２により十分に加熱されて溶融され、この溶融したトナー像が記録媒体上に転写され、転写定着ローラ２２と加圧ローラ２６とで挟まれて搬送されることで、定着される。その後、トナー像が転写定着された記録媒体は、外部へ排出される。以上により、画像形成工程が終了する。
【００４１】
冷却部（ベルト冷却装置）３は、電子放出装置（ベルト冷却装置）３１と送風装置３２とを有し、転写定着ローラ２２により熱せられた中間転写ベルト２１を冷却する。図２に示すように電子放出装置３１は中間転写ベルト２１の鉛直方向上部に設けられ、中間転写ベルト２１の表面に向かってイオン風を発生させる装置である。電子放出装置３１の電子放出素子３０から電子が放出され、放出された電子は、中間転写ベルト２１と電子放出素子３０との離間部に存在する空気分子に衝突する。この衝突により、空気分子が、イオン化される。そして、イオン化された空気分子が、中間転写ベルト２１と電子放出素子３０との間の電界（図２の下向きの矢印の方向）に沿って移動することにより、イオン風が発生する。このイオン化された空気分子が中間転写ベルト２１に到達し、中間転写ベルト２１表面の加熱された空気分子が撹拌され、熱交換が起き、その結果、中間転写ベルト２１が冷却される。
【００４２】
図１では、電子放出素子３０を４つ、また、図２では、電子放出素子３０をベルト幅と同じ幅のものを３つ設けているが、大きさおよび個数は限定されない。なお、小型の電子放出素子の方が、素子作製が容易で、コストが安いというメリットがある。ただし、電子放出素子３０の設置数または面積を増やすとより効果的に冷却することができる。電子放出装置３１および電子放出素子３０の詳細は後述する。
【００４３】
送風装置３２は、イオン風により熱交換が行われ熱せられた空気を外部に排気させる装置である。中間転写ベルト３１の鉛直方向上部の両端に設けられ、中間転写ベルト２１の移動方向と逆方向（図２の矢符Ｂの方向）に送風が起こるように設置される。送風装置３２は、必ずしも設置する必要はないが、電子放出装置３１と併用することによって、より効果的に中間転写ベルト２１を冷却することができる。
【００４４】
なお、送風装置３２の風量は、イオン化された空気分子の熱交換に必要な量が中間転写ベルト２１に到達しつつ、効果的に熱交換後の空気を排気することができる量である必要がある。一例として、後述するように、電子放出素子３０を中間転写ベルト２１の鉛直方向５ｍｍ上に備え、電子放出電流量を１μＡ・ｃｍ−２とし、電子放出素子３０の薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間の電圧を３００Ｖとした場合、送風装置３２からの風量は、０．９〜２．０Ｌ・ｍｉｎ−１・ｃｍ−２の範囲で効果を確認できた。
【００４５】
中間転写ベルト２１は、半導電性のものを用いる。中間転写ベルト２１の電子放出素子３０との対向する冷却領域では、電子放出装置３１から発生するイオンが接触することになる。しかし、中間転写ベルト２１上にイオンが残存した状態で転写領域に移動すると、転写性能が低下する。そのため、中間転写ベルト２１が冷却領域から転写領域に到達する前に電荷をリークする程度の導電性が必要になる。
【００４６】
中間転写ベルト２１は、その他は特に制限はなく、一般的な画像形成装置に用いられている半導電性の中間転写ベルトを用いることができる。また、効果的に冷却および加熱するには、ベルトの熱容量が低いものが好ましい。耐久性を保持できる程度の膜厚があれば、薄いものほど熱交換が容易である。このような中間転写ベルト２１として、例えば、導電剤としてカーボンブラックを含有させたポリイミド製フィルム、ポリカーボネート製フィルム等を用いることができる。
【００４７】
次に、電子放出装置３１について説明する。図３は、電子放出装置３１の構成を模式的に示す断面図である。電子放出装置３１は、電極基板３０１、薄膜電極３０２、および電子加速層３０３からなる電子放出素子３０と、第１電源（第一の電圧印加手段）Ｖ１と、第２電源（第二の電圧印加手段）Ｖ２と、を備えている。電子加速層３０３は、電極基板３０１と薄膜電極３０２とにより挟まれて存在している。第１電源Ｖ１は、電極基板３０１と薄膜電極３０２との間に電圧を印加するものであり、電源１０は、電子放出素子３０における電子加速層３０３内で電子を加速させ、薄膜電極３０２から電子を放出させるのに用いられる。第２電源Ｖ２は、薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間に電圧を印加するものであり、薄膜電極３０２から放出された電子を中間転写ベルト２１へ付与するのに用いられる。
【００４８】
ここで、図３に示すように、本実施形態では、薄膜電極３０２の電子放出面は、中間転写ベルト２１のトナー像転写面と対向して配置されるが、薄膜電極３０２の電子放出面が、中間転写ベルト２１の内側の面（トナー像転写面の反対面）と対向して配置されてもよい。
【００４９】
図４は、電子放出装置３１が備える電子放出素子３０の斜視断面図である。また、図５は、電子放出素子３０の電子加速層３０３の詳細な断面図である。電子加速層３０３は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子３０７、及び当該導電微粒子３０７の大きさより大きい絶縁体物質３０６を含む。
【００５０】
図３に示すように、電子放出素子３０は、第１電源Ｖ１により、電極基板３０１と薄膜電極３０２との間、つまり、電子加速層３０３に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により弾道電子として、薄膜電極３０２を透過あるいは薄膜電極３０２の隙間から放出させる。そして、第２電源Ｖ２から印加された電圧により形成された電極基板３０１と薄膜電極３０２との間の電界により、放出された電子が中間転写ベルト２１側に引き寄せられる。
【００５１】
第１電源Ｖ１からの印加電圧は、電子放出素子３０から安定して電子が放出され、冷却効果を有する程度であればよく、例えば、電子放出電流量が１〜２μＡ・ｃｍ−２になるような電圧（例えば、１５〜２０Ｖ）であればよい。
【００５２】
また、第２電源Ｖ２からの印加電圧は、マイナスの電荷を持ったイオンを中間転写ベルト２１に到達させる電圧であればよく、例えば、３００〜４００Ｖが好ましい。ここで、電子放出装置３１を配置するに当たって、中間転写ベルト２１と薄膜電極３０２との距離は、薄膜電極３０２から放出された電子を中間転写ベルト２１へ付与することができる距離であれば、特に制限されない。しかし、中間転写ベルト２１と薄膜電極３０２との間の電界強度を高くするための、上記距離は小さい方が好ましい。例えば、その距離は、５〜１０ｍｍが好ましい。よって、電子放出素子３０の薄膜電極３０２との間の電界強度は、３００００〜８００００Ｖ／ｍとなる。このような数値になっていると、オゾンや窒素酸化物に代表される有害物質が発生しない。
【００５３】
電極基板３０１は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層３０３との界面に金属などの導電性物質を電極として付着さることによって、電極基板として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているＩＴＯ薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にＴｉを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねてＣｕを１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。
【００５４】
薄膜電極３０２は、電子加速層３０３内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層３０３内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。
【００５５】
また、薄膜電極３０２の膜厚は、電子放出素子３０から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。薄膜電極３０２を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子３０から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、薄膜電極３０２で弾道電子の吸収あるいは、薄膜電極３０２で弾道電子が反射されて電子加速層３０３へ再捕獲される現象が生じてしまう。
【００５６】
電子加速層３０３は、図５に示すように、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、当該導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいればよい。本実施形態では、上記導電微粒子は、金属微粒子３０７として説明する。また、本実施形態では、上記絶縁体物質は、金属微粒子３０７の平均径より大きい平均径の微粒子である、絶縁体の微粒子３０６として説明する。しかしながら、電子加速層３０３の構成は、上記したものに限定されず、例えば、上記絶縁体物質が、電極基板３０１に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、そして、この開口部には、導電微粒子３０７が収容されていている、というような形態であってもよい。
【００５７】
ここで、金属微粒子３０７の金属種としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。ただし、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、抗酸化力が高い金属である必要があり、その中でも貴金属が好ましく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられる。このような金属微粒子は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電子の生成の原理については後段で記載するが、その原理に従って考えると、金属微粒子３０７の直径は３〜１０ｎｍであることが重要である。
【００５８】
なお、金属微粒子３０７の周囲には、金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質が存在していてもよく、金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質は、金属微粒子３０７の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、金属微粒子６の平均径より小さい形状の集合体として、金属微粒子３０７の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。なお、図５の金属微粒子３０７は、絶縁体物質を表面に付着させたものである。金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁体物質でも用いることができる。ただし、金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質が金属微粒子３０７を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を金属微粒子３０７の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。
【００５９】
絶縁体の微粒子３０６の材料は、絶縁性を有する材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層３０３を構成する微粒子全体（絶縁被膜された金属微粒子３０７＋絶縁体の微粒子３０６）に対する絶縁体の微粒子３０６の重量割合は８０〜９５％であることが望ましい。
【００６０】
また、絶縁体の微粒子３０６の直径は１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１２〜１１０ｎｍであることがより好ましい。この場合、絶縁体の微粒子３０６の粒子径分布は平均粒径に対してブロードであってもよく、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。絶縁体の微粒子３０６の平均径を好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは１２〜１１０ｎｍとすることにより、絶縁体の微粒子３０６の大きさよりも小さい金属微粒子３０７の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、電子放出素子３０内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子３０が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、電子加速層３０３における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００６１】
従って、絶縁体の微粒子３０６の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２といったものが実用的となる。あるいは有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体の微粒子３０６は、２種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。
【００６２】
また絶縁体の成す役割は微粒子形状に拘る必要は無く、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質として、有機ポリマーから成るシート基板を用いてもよい。但しこのシート状基板には厚さ方向を貫通する複数の微細孔を有する必要がある。このような用件を満たす材料として、例えば、ワットマンジャパン株式会社の製造販売するメンブレンフィルターニュークリポア（ポリカーボネート製）が有用である。
【００６３】
電子加速層３０３は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、電子加速層３０３の層厚を均一化する必要性、そして層厚方向における電子加速層３０３の抵抗調整を可能にする必要性等から、電子加速層３０３の層厚は、１２〜６０００ｎｍ、より好ましくは３００〜６０００ｎｍであるとよい。
【００６４】
以下に本発明に係る実施例および比較例を示す。
【００６５】
（実施例１）
実施例１では、冷却装置である電子放出装置３１の電子放出素子３０は次のように形成した。電極基板３０１としてＳＵＳ、薄膜電極３０２として金、絶縁体物質を表面に付着させた導電微粒子３０７として、アルコラートを表面に付着させた銀ナノ粒子（平均径１０ｎｍ、うちアルコラート１ｎｍ厚）、絶縁体の微粒子３０６として平均粒子径１１０ｎｍの疎水性シリカを用いた。
【００６６】
銀ナノ粒子と疎水性シリカとを、配合比２：８、固形分２０ｗｔ％でトルエン中に分散させ、ＳＵＳ基板上にスピンコートし電子加速層３０３を形成した。ここで、ＳＵＳ基板は２５ｍｍ×５０ｍｍ角で厚さ１ｍｍのものを用いた。また、電子加速層３０３は層厚が７８０ｎｍとなるように形成した。
【００６７】
このようにＳＵＳ基板上に電子加速層３０３を形成後、電子加速層３０３上に膜厚が１５ｎｍになるように金をスパッタして薄膜電極３０２を形成し、電子放出素子３０を作製した。
【００６８】
得られた電子放出素子３０を図２に示すように中間転写ベルト２１の鉛直方向５ｍｍ上部に配置させ、第１電源Ｖ１により１５Ｖの電圧を電圧印加し、定電流駆動によって常に電子放出電流量が１μＡ・ｃｍ−２になるように設定した。なお、配置した電子放出素子３０全てが、それぞれ電子放出電流量が１μＡ・ｃｍ−２になるように設定した。また、第２電源Ｖ２により薄膜電極と中間転写ベルトとの間に３００Ｖの電圧を印加した。
【００６９】
上記のように作製した電子放出素子３０を、中間転写ベルト２１の移動方向に６個、それぞれ５０ｍｍの間隔をあけて設置した。また、中間転写ベルト２１には、厚さ１５０μｍのカーボンブラックを含有させたポリイミド製フィルムを用い、ベルト幅は３４ｃｍとした。
【００７０】
そして、１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させることに必要な時間を測定したところ、９ｓｅｃであった。ここでは、中間転写ベルト２１の温度は、赤外線を検出する非接触方式の放射温度計を用いて、現像部上流の中間転写ベルト２１上の温度測定を行った。
【００７１】
このように、中間転写ベルト２１の冷却装置として電子放出装置３１を用いることで、省スペースで中間転写ベルト２１に冷却装置が接触することなく効果的に冷却できることが確認できた。
【００７２】
（実施例２）
実施例２では、図２に示すように、送風装置３２を設置し、中間転写ベルト２１の移動方向と逆方向への風量が０．９Ｌ・ｍｉｎ−１・ｃｍ−２となるよう設定したこと以外は、実施例１と同様の物質、装置、条件とした。
【００７３】
１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させることに必要な時間を測定したところ、５ｓｅｃであった。このように、送風装置３２を加えることによって、更に効果的に冷却できることが確認できた。
【００７４】
（実施例３）
薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間に４００Ｖの電圧を印加したこと以外は、実施例２と同様の物質、装置、条件とした。
【００７５】
１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させるのに必要な時間を測定したところ、２ｓｅｃであった。このように、薄膜電極と中間転写ベルト２１との間の電界を大きくすることによって、更に効果的に冷却できることが確認できた。
【００７６】
なお、上記の時間は電子放出電流量を任意で１μＡ・ｃｍ−２に設定したときの数値である。ここで、電子放出電流量と冷却効率は比例するため、電子放出電流量を高く設定するに伴って、冷却効率をさらに向上させることができる。従って、画像形成装置１０のプロセス速度に合わせて、所望の温度および時間で冷却することができる。
【００７７】
（比較例１）
比較例１として、電子放出装置３１を設置することなく、実施例２と同様の送風装置３２のみを中間転写ベルト２１上方に設置した。１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させるのに必要な時間を測定した。その結果、４０ｓｅｃであった。
【００７８】
なお、図６に実施例１から３および比較例１の単位面積あたりの冷却経時間変化を示す。
【００７９】
以上のように、電子放出装置３１を設置することによって、効果的に中間転写ベルト２１を冷却することができる。
【００８０】
なお、本発明は上述した実施形態および実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る冷却装置は、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースでオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できるため、転写定着一体方式の、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施形態の画像形成装置の部分的構成を示す模式図である。
【図２】上記画像形成装置の冷却部の構成を示す模式図である。
【図３】上記冷却部の電子放出装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】上記電子放出装置が備える電子放出素子の斜視断面図である。
【図５】上記電子放出素子の電子加速層の詳細な断面図である。
【図６】実施例１から３および比較例１の単位面積あたりの冷却経時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ トナー像形成部
２ 転写定着部
３ 冷却部（ベルト冷却装置）
１０ 画像形成装置
１１ 感光体
１２ 帯電手段
１３ 現像手段
２１ 中間転写ベルト（無端ベルト）
２２ 転写定着ローラ（転写定着手段）
２４ 中間転写ローラ（中間転写手段）
２６ 加圧ローラ
３０ 電子放出素子
３１ 電子放出装置（ベルト冷却装置）
３２ 送風装置
３０１ 電極基板
３０２ 薄膜電極
３０３ 電子加速層
３０６ 絶縁体の微粒子（絶縁体物質）
３０７ 金属微粒子（導電微粒子）
Ｖ１ 第１電源（第１電圧印加手段）
Ｖ２ 第２電源（第２電圧印加手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無端ベルト上に中間転写されたトナー像を記録媒体に転写すると同時に定着する、転写定着一体方式を用いた画像形成装置に設置されるベルト冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の画像形成プロセスを利用する画像形成装置では、一般的に、潜像担持体である感光体表面の感光層を均一に帯電させる帯電工程、帯電された感光体表面に原稿像の信号光を投射して静電潜像を形成する露光工程、感光体表面の静電潜像に電子写真用トナーを供給して顕像化する現像工程、感光体表面のトナー像を中間転写媒体を介して紙あるいはＯＨＰシートなどの記録媒体に転写する転写工程、トナー像を加熱や加圧などにより記録媒体上に定着させる定着工程、およびトナー像転写後の感光体表面に残留するトナーなどをクリーニングブレードにより除去して清浄化するクリーニング工程、を実行して記録媒体上に所望の画像を形成する。
【０００３】
ここで、感光体表面のトナー像を中間転写媒体を介して紙あるいはＯＨＰシートなどの記録媒体に転写する方式では、中間転写媒体上のトナー像を完全に記録媒体に転写させることは困難であり、トナーが一部中間転写媒体上に残留するのが現状である。このトナーの残留量は中間転写媒体上に形成されたトナー像の層厚によって異なるため、カラー画像を形成する際に、記録媒体上に形成されるカラー画像の色バランスがずれ、所望のカラー画像が得られない場合がある。また、記録媒体である紙の表面凹凸のため、紙と中間転写媒体とが完全に密着せず、不均一なギャップが生じ、画像の品質が劣化する。
【０００４】
このような問題に対して、中間転写媒体上にトナー画像を溶融した後、記録媒体にその溶融したトナー像を転写するとともに定着する転写定着一体方式がある。しかしながら、この転写定着一体方式は、中間転写媒体である中間転写ベルトが加熱加圧され、転写定着部を通過した中間転写ベルトの熱が潜像担持体である感光体およびトナーを供給する現像槽等の画像記録部に伝わり、感光体の劣化、トナーの凝集等といった問題が生じる。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１では、中間転写ベルトに設置する転写定着部の位置を画像記録部から遠ざけたり、水冷方式の冷却装置を設置したりする画像形成装置が開示されている。また、特許文献２では、転写定着部の下流のベルトの内面に、ペルチェ素子や冷却フィンを押し付けて設置することによって、省スペースで冷却する電子写真装置が開示されている。さらに、転写定着一体方式ではないが、一般的な画像形成装置において、特許文献３では、定着部を覆うカバーに放電装置を設置することによってイオン風を発生させ、定着部から放出される熱気や水蒸気を効率的に機外に排出する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５０３５７号公報（平成１３年１２月２１日公開）
【特許文献２】特開平５−２７６０３号公報（平成５年２月５日公開）
【特許文献３】特開２００７−８６１２３号公報（平成１９年４月５日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の画像形成装置では、冷却が不十分であり、十分に冷却するにはスペースが多く必要であるという課題を有している。また、特許文献２に開示の電子写真装置では、循環移動する転写ベルトに冷却装置が接触するため、転写ベルトの摩擦係数を減少させる表面処理を行う必要があり、冷却効率が低くなる。また、長期間の使用または高速回転に耐え得ることができない可能性も考えられる。また、これらの冷却装置は転写ベルトに接しなければ、冷却効率はさらに低くなる。さらに、特許文献３に開示の技術では、放電に伴ってオゾンが発生する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、その目的は、転写定着一体方式の画像形成装置に用いられ、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースでオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できるベルト冷却装置、およびこの冷却装置を備えた画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記課題を解決するために、像担持体に形成されたトナー像を無端ベルトに中間転写する中間転写手段と、無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、を備えた画像形成装置の、上記無端ベルトを冷却するため、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、ベルト冷却装置であって、電極基板、薄膜電極、および該電極基板と該薄膜電極とに挟まれた電子加速層、を有する電子放出素子と、上記電子加速層にて電子を加速させ、上記薄膜電極から当該電子が放出するよう、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、上記薄膜電極と上記無端ベルトとの間に電圧を印加する第２電圧印加手段と、を備え、上記薄膜電極は、上記無端ベルトと対向して配置され、上記電子加速層は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいることを特徴としている。
【０００９】
上記構成によると、電子放出素子が薄膜電極から電子を放出すると、その電子が電子放出素子と無端ベルトとの間に介する空気に衝突し、空気分子がイオン化される。このイオン化された空気分子が電界に沿って移動することによりイオン風が発生し、そのイオンが無端ベルトに到達することにより、無端ベルト表面の加熱された空気分子が撹拌され、熱交換が起こる。その結果、中間転写ベルト２１が冷却される。そのため、無端ベルトにベルト冷却装置を接触させることなく、省スペースで、熱変換を行い、転写定着時に加熱された無端ベルトを効果的に冷却できる。このような電子放出素子を転写定着時に加熱された無端ベルトを冷却する手段として用いることにより、従来の冷却ファンと比べて、冷却効果を数倍に高められる。また、水冷を使った場合と比べて、省スペースで効果的に冷却できる。また、ペルチェ素子やヒートシンクのような接触型冷却手段よりも空間熱変換に優れ、電力効率がよい。さらに、無端ベルトに接触しないため循環する無端ベルトを磨耗することがなく、表面処理を施す必要もない。
【００１０】
また、上記構成によると、電子加速層には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれている。ここで言う抗酸化力が高いとは、酸化物形成反応の低いことを指す。一般的に熱力学計算より求めた、酸化物生成自由エネルギーの変化量ΔＧ［ｋＪ／ｍｏｌ］値が負で大きい程、酸化物の生成反応が起こり易いことを表す。本発明ではΔＧ＞−４５０［ｋＪ／ｍｏｌ］以上に該当する金属元素が、抗酸化力の高い導電微粒子として該当する。また、該当する導電微粒子の周囲に、その導電微粒子の大きさよりも小さい絶縁体物質を付着、または被覆することで、酸化物の生成反応をより起こし難くした状態の導電微粒子も、抗酸化力が高い導電微粒子に含まれる。
【００１１】
この電子加速層は、絶縁体物質と抗酸化力が高い導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。
【００１２】
また、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。また、絶縁体物質および導電微粒子は、電子加速層における抵抗値および弾道電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、絶縁体物質は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割を受け持つことができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。
【００１３】
この電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わず、オゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、この電子放出素子を用いた本発明に係るベルト冷却装置は、従来の放電によるイオン発生装置とは異なり、オゾンを発生させることなく安定してイオン風を発生させることができる。
【００１４】
以上のように、本発明に係るベルト冷却装置は、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止することができる。
【００１５】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記構成に加え、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に、上記無端ベルトの移動方向と逆方向に送風する送風装置を備えていてもよい。
【００１６】
電子放出素子により発生したイオン風が無端ベルトに到達することにより、無端ベルト表面の空気分子が撹拌される。その際、送風装置を設置することによって、熱交換後の空気分子を排除し、常に電子放出素子から発生したイオン風を無端ベルトに到達させることができ、効果的に冷却することができる。ここで、電子放出素子と無端ベルトとは近距離であるため、電子放出素子から発生したイオン風は送風装置を用いることなく無端ベルトに到達することができる。ここで、送風装置を用いることで、熱交換された無端ベルト上の熱い空気分子を排除し、常に新しいイオン風を無端ベルトに接触させることができる。また、送風が無端ベルトの移動方向と逆方向であるため、現像部の上流部を最も効果的に冷却することができる。つまり、熱交換された熱い空気分子が現像部へ進入することを防ぐと同時に、現像部直前の無端ベルト上に最も効率的に新しいイオン風を接触させることができる。
【００１７】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記導電微粒子を成す導電体は、貴金属であってもよい。このように、上記導電微粒子を成す導電体が、貴金属であることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、ベルト冷却装置の長寿命化を図ることができる。
【００１８】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００１９】
導電微粒子の酸化膜が厚くなるとトンネル効果の妨げになるため、導電微粒子を成す導電体は、酸化しにくい金属である必要がある。従って、導電微粒子を成す導電体として、金、銀、白金、ニッケル、およびパラジウムの少なくとも１つを用いることによって、大気中の酸素による酸化をより効果的に防ぐことができる。よって、ベルト冷却装置の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２０】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記構成に加え、上記絶縁体物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいてもよい。
【００２１】
上記構成により、絶縁体物質が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いため、上記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。抵抗値が高くなるに伴い、電子放出素子内の電流が流れにくくなり、電子放出量が少なくなる。逆に抵抗が低くなるに伴い、電子が加速することなく導通し、電子放出量が少なくなる。したがって、抵抗値を調整することによって、電子放出素子内の電流と電子加速とを制御し、電子放出量を制御することができる。また、絶縁体物質として酸化物（ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の）を用いる場合には、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難くする効果も得ることができるため、本発明のベルト冷却装置の大気圧中での安定動作を、より効果的に行わせることができる。
【００２２】
ここで、上記絶縁体物質は微粒子であってもよい。上記絶縁体物質を微粒子とすることにより、上記絶縁体物質の大きさよりも小さい上記導電微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００２３】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいてもよい。上記薄膜電極に、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つが含まれることによって、これら物質は仕事関数が低いため、電子加速層で発生させた電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。
【００２４】
本発明に係るベルト冷却装置は、上記構成に加え、上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在してもよい。このように、上記電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在することは、電子放出素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献する他、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする電子放出素子の劣化を、より効果的に防ぐことができる。よって、ベルト冷却装置の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２５】
本発明に係るベルト冷却装置では、上記構成に加え、上記導電微粒子の周囲に存在する絶縁体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいてもよい。上記導電微粒子の周囲に存在する絶縁体物質が、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいると、電子放出素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲に存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。よって、ベルト冷却装置の長寿命化をより効果的に図ることができる。
【００２６】
ここで、本発明に係るベルト冷却装置では、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、上記導電微粒子表面に付着して付着物質として存在するものであり、当該付着物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい形状の集合体として、上記導電微粒子表面を被膜していてもよい。このように、上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が、上記導電微粒子表面に付着あるいは、上記導電微粒子の平均径より小さい形状の集合体として、上記導電微粒子表面を被膜していることで、電子放出素子作成時の導電微粒子の分散液中での分散性向上に貢献するため、導電微粒子の凝集体が元と成る電流の異常パス形成を生じ難くする他、絶縁体物質の周囲に存在する導電微粒子自身の酸化に伴う粒子の組成変化を生じないため、電子放出特性に影響を与えることがない。その結果、ベルト冷却装置の長寿命化をさらに効果的に図ることができる。
【００２７】
本発明に係る画像処理装置は、上記課題を解決するために、像担持体からトナー像を無端ベルト上へ中間転写する中間転写手段と、上記無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、上記いずれか１つのベルト冷却装置と、を備えたことを特徴としている。
【００２８】
上記構成によると、本発明に係るベルト冷却装置を、転写定着時に加熱された無端ベルトを冷却する手段として用いるため、無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できる転写定着一体方式の画像形成装を提供することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るベルト冷却装置は、以上のように、電極基板、薄膜電極、および該電極基板と該薄膜電極とに挟まれた電子加速層、を有する電子放出素子と、上記電子加速層にて電子を加速させ、上記薄膜電極から当該電子が放出するよう、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、上記薄膜電極と上記無端ベルトとの間に電圧を印加する第２電圧印加手段と、を備え、上記薄膜電極は、上記無端ベルトと対向して配置され、上記電子加速層は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいる。
【００３０】
上記構成によると、電子放出素子が薄膜電極から電子を放出すると、その電子が電子放出素子と無端ベルトとの間に介する空気に衝突し、空気分子がイオン化される。このイオン化された空気分子が電界に沿って移動することによりイオン風が発生し、そのイオンが無端ベルトに到達することにより、無端ベルト表面の加熱された空気分子が撹拌され、熱交換が起こる。その結果、中間転写ベルト２１が冷却される。そのため、無端ベルトにベルト冷却装置を接触させることなく、省スペースで、熱変換を行い、転写定着時に加熱された無端ベルトを効果的に冷却できる。このような電子放出素子を転写定着時に加熱された無端ベルトを冷却する手段として用いることにより、従来の冷却ファンと比べて、冷却効果を数倍に高められる。また、水冷を使った場合と比べて、省スペースで効果的に冷却できる。また、ペルチェ素子やヒートシンクのような接触型冷却手段よりも空間熱変換に優れ、電力効率がよい。さらに、無端ベルトに接触しないため循環する無端ベルトを磨耗することがなく、表面処理を施す必要もない。
【００３１】
また、上記構成によると、電子放出素子の電子加速層には、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質と、が含まれている。この電子加速層は、絶縁体物質と抗酸化力が高い導電微粒子とが緻密に集合した薄膜の層であり、半導電性を有する。この半導電性の電子加速層に電圧を印加すると、電子加速層内に電流が流れ、その一部は印加電圧の形成する強電界により弾道電子となって放出される。また、導電微粒子として抗酸化力が高い導電体を用いることから、大気中の酸素による酸化に伴う素子劣化を発生し難いため、大気圧中でも安定して動作させることができる。絶縁体物質および導電微粒子は、電子加速層における抵抗値および弾道電子の生成量を調整することができるため、電子加速層を流れる電流値と電子放出量の制御を可能とする。さらに、絶縁体物質は、電子加速層を流れる電流により生じるジュール熱を効率良く逃がす役割を受け持つことができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。この電子放出素子は、上記構成を有するため、真空中だけでなく大気圧中で動作させても放電を伴わず、オゾンやＮＯｘ等の有害物質をほぼ生成せず、電子放出素子が酸化劣化しない。そのため、この電子放出素子を用いた本発明に係るベルト冷却装置は、従来の放電によるイオン発生装置とは異なり、オゾンを発生させることなく安定してイオン風を発生させることができる。
【００３２】
以上のように、本発明に係るベルト冷却装置は、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースかつオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に本発明の実施の形態について図１〜５に基づいて説明する。なお、以下に記述する実施の形態および実施例は本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれらよって限定されるものではない。
【００３４】
図１は、本発明の実施の一形態である画像形成装置１０の中間転写ベルト２１付近の構成を模式的に示す断面図である。画像形成装置１０は、複写機能、プリンタ機能およびファクシミリ機能を併せ持つ複合機であり、伝達される画像情報に応じて、記録媒体上にフルカラーまたはモノクロの画像を形成する。すなわち、画像形成装置１０は、コピアモード（複写モード）、プリンタモードおよびＦＡＸモードの３種の印刷モードを有しており、図示しない操作部からの操作入力、パーソナルコンピュータ、携帯端末装置、情報記録記憶媒体、メモリ装置を用いた外部機器からの印刷ジョブの受信などに応じて、図示しない制御部により、上記いずれかの印刷モードが選択される。
【００３５】
画像形成装置１０は、トナー像形成部１と、転写定着部２と、冷却部（ベルト冷却装置）３とを含む。なお、画像形成装置は、他に、光学系ユニット、給紙部等を備え、さらにこれらの部材を収容する筐体を備えているが、説明は割愛する。
【００３６】
トナー像形成部１は、カラー画像情報に含まれるブラック（ｂ）、シアン（ｃ）、マゼンタ（ｍ）およびイエロー（ｙ）の各色の画像情報にそれぞれ対応するために、４つ設けられる。４つのトナー像形成部１は、それぞれ、感光体１１と、帯電手段１２と、現像手段１３と、クリーニングユニット１４とを含む。それぞれの現像手段１３には、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色トナーが収容される。ここで、後述のように、中間転写ベルト２０は、冷却部３のある冷却領域からのトナー像形成部１のある転写領域に至る間に、ベルト表面に残留する電子をリークさせるために導電性を有するベルトを用いて形成されており、トナーの極性は限定されない。
【００３７】
転写定着部２は、感光体１１の上方に配置され、中間転写ベルト２１と、転写定着ローラ（転写定着手段）２２と、駆動ローラ２３と、中間転写ローラ（中間転写手段）２４と、転写ベルトクリーニングユニット２５と、加圧ローラ２６とを含む。中間転写ベルト２１は、転写定着ローラ２２と、駆動ローラ２３とによって張架されてループ状の移動経路を形成する無端ベルト状部材である。中間転写ベルト２１は図２において矢符Ａの方向に回転駆動される。
【００３８】
ここで、転写定着ローラ２２は、内部に発熱体を有しており、中間転写ローラ２２上にトナー像を溶融した後、記録媒体にその溶融したトナー像を転写定着させる。
【００３９】
画像形成装置１０による画像形成の工程は次のようになる。まず、感光体１１表面を帯電手段１２が一様に帯電した後、帯電した感光体１１の表面を図示しない光学系ユニットが画像情報に応じてレーザー露光して静電潜像を形成する。続いて、現像手段１３が感光体１１上の静電潜像をトナーによって現像し、顕像化により得られたトナー像を、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された中間転写ローラ２４が中間転写ベルト２１上に転写する。これにより、ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー、それぞれのトナー像が、それぞれ中間転写ベルト２１上に転写される。
【００４０】
中間転写ベルト２１上のトナー像は、転写定着ローラ２２まで搬送され、別途、図示しない給紙部から給紙された記録媒体に対して、転写定着される。このとき、中間転写ベルト２１上のトナー像は、転写定着ローラ２２により十分に加熱されて溶融され、この溶融したトナー像が記録媒体上に転写され、転写定着ローラ２２と加圧ローラ２６とで挟まれて搬送されることで、定着される。その後、トナー像が転写定着された記録媒体は、外部へ排出される。以上により、画像形成工程が終了する。
【００４１】
冷却部（ベルト冷却装置）３は、電子放出装置（ベルト冷却装置）３１と送風装置３２とを有し、転写定着ローラ２２により熱せられた中間転写ベルト２１を冷却する。図２に示すように電子放出装置３１は中間転写ベルト２１の鉛直方向上部に設けられ、中間転写ベルト２１の表面に向かってイオン風を発生させる装置である。電子放出装置３１の電子放出素子３０から電子が放出され、放出された電子は、中間転写ベルト２１と電子放出素子３０との離間部に存在する空気分子に衝突する。この衝突により、空気分子が、イオン化される。そして、イオン化された空気分子が、中間転写ベルト２１と電子放出素子３０との間の電界（図２の下向きの矢印の方向）に沿って移動することにより、イオン風が発生する。このイオン化された空気分子が中間転写ベルト２１に到達し、中間転写ベルト２１表面の加熱された空気分子が撹拌され、熱交換が起き、その結果、中間転写ベルト２１が冷却される。
【００４２】
図１では、電子放出素子３０を４つ、また、図２では、電子放出素子３０をベルト幅と同じ幅のものを３つ設けているが、大きさおよび個数は限定されない。なお、小型の電子放出素子の方が、素子作製が容易で、コストが安いというメリットがある。ただし、電子放出素子３０の設置数または面積を増やすとより効果的に冷却することができる。電子放出装置３１および電子放出素子３０の詳細は後述する。
【００４３】
送風装置３２は、イオン風により熱交換が行われ熱せられた空気を外部に排気させる装置である。中間転写ベルト３１の鉛直方向上部の両端に設けられ、中間転写ベルト２１の移動方向と逆方向（図２の矢符Ｂの方向）に送風が起こるように設置される。送風装置３２は、必ずしも設置する必要はないが、電子放出装置３１と併用することによって、より効果的に中間転写ベルト２１を冷却することができる。
【００４４】
なお、送風装置３２の風量は、イオン化された空気分子の熱交換に必要な量が中間転写ベルト２１に到達しつつ、効果的に熱交換後の空気を排気することができる量である必要がある。一例として、後述するように、電子放出素子３０を中間転写ベルト２１の鉛直方向５ｍｍ上に備え、電子放出電流量を１μＡ・ｃｍ−２とし、電子放出素子３０の薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間の電圧を３００Ｖとした場合、送風装置３２からの風量は、０．９〜２．０Ｌ・ｍｉｎ−１・ｃｍ−２の範囲で効果を確認できた。
【００４５】
中間転写ベルト２１は、半導電性のものを用いる。中間転写ベルト２１の電子放出素子３０との対向する冷却領域では、電子放出装置３１から発生するイオンが接触することになる。しかし、中間転写ベルト２１上にイオンが残存した状態で転写領域に移動すると、転写性能が低下する。そのため、中間転写ベルト２１が冷却領域から転写領域に到達する前に電荷をリークする程度の導電性が必要になる。
【００４６】
中間転写ベルト２１は、その他は特に制限はなく、一般的な画像形成装置に用いられている半導電性の中間転写ベルトを用いることができる。また、効果的に冷却および加熱するには、ベルトの熱容量が低いものが好ましい。耐久性を保持できる程度の膜厚があれば、薄いものほど熱交換が容易である。このような中間転写ベルト２１として、例えば、導電剤としてカーボンブラックを含有させたポリイミド製フィルム、ポリカーボネート製フィルム等を用いることができる。
【００４７】
次に、電子放出装置３１について説明する。図３は、電子放出装置３１の構成を模式的に示す断面図である。電子放出装置３１は、電極基板３０１、薄膜電極３０２、および電子加速層３０３からなる電子放出素子３０と、第１電源（第一の電圧印加手段）Ｖ１と、第２電源（第二の電圧印加手段）Ｖ２と、を備えている。電子加速層３０３は、電極基板３０１と薄膜電極３０２とにより挟まれて存在している。第１電源Ｖ１は、電極基板３０１と薄膜電極３０２との間に電圧を印加するものであり、電源１０は、電子放出素子３０における電子加速層３０３内で電子を加速させ、薄膜電極３０２から電子を放出させるのに用いられる。第２電源Ｖ２は、薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間に電圧を印加するものであり、薄膜電極３０２から放出された電子を中間転写ベルト２１へ付与するのに用いられる。
【００４８】
ここで、図３に示すように、本実施形態では、薄膜電極３０２の電子放出面は、中間転写ベルト２１のトナー像転写面と対向して配置されるが、薄膜電極３０２の電子放出面が、中間転写ベルト２１の内側の面（トナー像転写面の反対面）と対向して配置されてもよい。
【００４９】
図４は、電子放出装置３１が備える電子放出素子３０の斜視断面図である。また、図５は、電子放出素子３０の電子加速層３０３の詳細な断面図である。電子加速層３０３は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子３０７、及び当該導電微粒子３０７の大きさより大きい絶縁体物質３０６を含む。
【００５０】
図３に示すように、電子放出素子３０は、第１電源Ｖ１により、電極基板３０１と薄膜電極３０２との間、つまり、電子加速層３０３に電流を流し、その一部を印加電圧の形成する強電界により弾道電子として、薄膜電極３０２を透過あるいは薄膜電極３０２の隙間から放出させる。そして、第２電源Ｖ２から印加された電圧により形成された電極基板３０１と薄膜電極３０２との間の電界により、放出された電子が中間転写ベルト２１側に引き寄せられる。
【００５１】
第１電源Ｖ１からの印加電圧は、電子放出素子３０から安定して電子が放出され、冷却効果を有する程度であればよく、例えば、電子放出電流量が１〜２μＡ・ｃｍ−２になるような電圧（例えば、１５〜２０Ｖ）であればよい。
【００５２】
また、第２電源Ｖ２からの印加電圧は、マイナスの電荷を持ったイオンを中間転写ベルト２１に到達させる電圧であればよく、例えば、３００〜４００Ｖが好ましい。ここで、電子放出装置３１を配置するに当たって、中間転写ベルト２１と薄膜電極３０２との距離は、薄膜電極３０２から放出された電子を中間転写ベルト２１へ付与することができる距離であれば、特に制限されない。しかし、中間転写ベルト２１と薄膜電極３０２との間の電界強度を高くするための、上記距離は小さい方が好ましい。例えば、その距離は、５〜１０ｍｍが好ましい。よって、電子放出素子３０の薄膜電極３０２との間の電界強度は、３００００〜８００００Ｖ／ｍとなる。このような数値になっていると、オゾンや窒素酸化物に代表される有害物質が発生しない。
【００５３】
電極基板３０１は、電子放出素子の支持体の役割を担う。そのため、ある程度の強度を有し、直に接する物質との接着性が良好で、適度な導電性を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板、ガラス基板のような絶縁体基板、プラスティック基板等が挙げられる。例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層３０３との界面に金属などの導電性物質を電極として付着さることによって、電極基板として用いることができる。上記導電性物質としては、導電性に優れた貴金属系材料を、マグネトロンスパッタ等を用いて薄膜形成できれば、その構成材料は特に問わない。また、酸化物導電材料として、透明電極に広く利用されているＩＴＯ薄膜も有用である。また、強靭な薄膜を形成できるという点で、例えば、ガラス基板表面にＴｉを２００ｎｍ成膜し、さらに重ねてＣｕを１０００ｎｍ成膜した金属薄膜を用いてもよいが、これら材料および数値に限定されることはない。
【００５４】
薄膜電極３０２は、電子加速層３０３内に電圧を印加させるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層３０３内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、仕事関数が４〜５ｅＶに該当する金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、パラジウムなどが挙げられる。中でも大気圧中での動作を想定した場合、酸化物および硫化物形成反応のない金が、最良な材料となる。また、酸化物形成反応の比較的小さい銀、パラジウム、タングステンなども問題なく実使用に耐える材料である。
【００５５】
また、薄膜電極３０２の膜厚は、電子放出素子３０から外部へ電子を効率良く放出させる条件として重要であり、１０〜５５ｎｍの範囲とすることが好ましい。薄膜電極３０２を平面電極として機能させるための最低膜厚は１０ｎｍであり、これ未満の膜厚では、電気的導通を確保できない。一方、電子放出素子３０から外部へ電子を放出させるための最大膜厚は５５ｎｍであり、これを超える膜厚では弾道電子の透過が起こらず、薄膜電極３０２で弾道電子の吸収あるいは、薄膜電極３０２で弾道電子が反射されて電子加速層３０３へ再捕獲される現象が生じてしまう。
【００５６】
電子加速層３０３は、図５に示すように、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、当該導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいればよい。本実施形態では、上記導電微粒子は、金属微粒子３０７として説明する。また、本実施形態では、上記絶縁体物質は、金属微粒子３０７の平均径より大きい平均径の微粒子である、絶縁体の微粒子３０６として説明する。しかしながら、電子加速層３０３の構成は、上記したものに限定されず、例えば、上記絶縁体物質が、電極基板３０１に層形成されており、かつ、層の厚み方向に貫通する複数の開口部を有しており、そして、この開口部には、導電微粒子３０７が収容されていている、というような形態であってもよい。
【００５７】
ここで、金属微粒子３０７の金属種としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。ただし、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、抗酸化力が高い金属である必要があり、その中でも貴金属が好ましく、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルといった材料が挙げられる。このような金属微粒子は、公知の微粒子製造技術であるスパッタ法や噴霧加熱法を用いて作成可能であり、応用ナノ研究所が製造販売する銀ナノ粒子等の市販の金属微粒子粉体も利用可能である。弾道電子の生成の原理については後段で記載するが、その原理に従って考えると、金属微粒子３０７の直径は３〜１０ｎｍであることが重要である。
【００５８】
なお、金属微粒子３０７の周囲には、金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質が存在していてもよく、金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質は、金属微粒子３０７の表面に付着する付着物質であってもよく、付着物質は、金属微粒子６の平均径より小さい形状の集合体として、金属微粒子３０７の表面を被膜する絶縁被膜であってもよい。なお、図５の金属微粒子３０７は、絶縁体物質を表面に付着させたものである。金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁体物質でも用いることができる。ただし、金属微粒子３０７の大きさより小さい絶縁体物質が金属微粒子３０７を被膜する絶縁被膜であり、絶縁被膜を金属微粒子３０７の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまう恐れがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。絶縁被膜の厚さは薄い方が有利であることが言える。
【００５９】
絶縁体の微粒子３０６の材料は、絶縁性を有する材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層３０３を構成する微粒子全体（絶縁被膜された金属微粒子３０７＋絶縁体の微粒子３０６）に対する絶縁体の微粒子３０６の重量割合は８０〜９５％であることが望ましい。
【００６０】
また、絶縁体の微粒子３０６の直径は１０〜１０００ｎｍであることが好ましく、１２〜１１０ｎｍであることがより好ましい。この場合、絶縁体の微粒子３０６の粒子径分布は平均粒径に対してブロードであってもよく、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。絶縁体の微粒子３０６の平均径を好ましくは１０〜１０００ｎｍ、より好ましくは１２〜１１０ｎｍとすることにより、絶縁体の微粒子３０６の大きさよりも小さい金属微粒子３０７の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、電子放出素子３０内を電流が流れる際に発生するジュール熱を効率よく逃がすことができ、電子放出素子３０が熱で破壊されることを防ぐことができる。さらに、電子加速層３０３における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。
【００６１】
従って、絶縁体の微粒子３０６の材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２といったものが実用的となる。あるいは有機ポリマーから成る微粒子を用いてもよく、例えば、ＪＳＲ株式会社の製造販売するスチレン／ジビニルベンゼンから成る高架橋微粒子（ＳＸ８７４３）、または日本ペイント株式会社の製造販売するスチレン・アクリル微粒子のファインスフェアシリーズが利用可能である。ここで、絶縁体の微粒子３０６は、２種類以上の異なる粒子を用いてもよく、また、粒径のピークが異なる粒子を用いてもよく、あるいは、単一粒子で粒径がブロードな分布のものを用いてもよい。
【００６２】
また絶縁体の成す役割は微粒子形状に拘る必要は無く、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質として、有機ポリマーから成るシート基板を用いてもよい。但しこのシート状基板には厚さ方向を貫通する複数の微細孔を有する必要がある。このような用件を満たす材料として、例えば、ワットマンジャパン株式会社の製造販売するメンブレンフィルターニュークリポア（ポリカーボネート製）が有用である。
【００６３】
電子加速層３０３は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることができるが、電子加速層３０３の層厚を均一化する必要性、そして層厚方向における電子加速層３０３の抵抗調整を可能にする必要性等から、電子加速層３０３の層厚は、１２〜６０００ｎｍ、より好ましくは３００〜６０００ｎｍであるとよい。
【００６４】
以下に本発明に係る実施例および比較例を示す。
【００６５】
（実施例１）
実施例１では、冷却装置である電子放出装置３１の電子放出素子３０は次のように形成した。電極基板３０１としてＳＵＳ、薄膜電極３０２として金、絶縁体物質を表面に付着させた導電微粒子３０７として、アルコラートを表面に付着させた銀ナノ粒子（平均径１０ｎｍ、うちアルコラート１ｎｍ厚）、絶縁体の微粒子３０６として平均粒子径１１０ｎｍの疎水性シリカを用いた。
【００６６】
銀ナノ粒子と疎水性シリカとを、配合比２：８、固形分２０ｗｔ％でトルエン中に分散させ、ＳＵＳ基板上にスピンコートし電子加速層３０３を形成した。ここで、ＳＵＳ基板は２５ｍｍ×５０ｍｍ角で厚さ１ｍｍのものを用いた。また、電子加速層３０３は層厚が７８０ｎｍとなるように形成した。
【００６７】
このようにＳＵＳ基板上に電子加速層３０３を形成後、電子加速層３０３上に膜厚が１５ｎｍになるように金をスパッタして薄膜電極３０２を形成し、電子放出素子３０を作製した。
【００６８】
得られた電子放出素子３０を図２に示すように中間転写ベルト２１の鉛直方向５ｍｍ上部に配置させ、第１電源Ｖ１により１５Ｖの電圧を電圧印加し、定電流駆動によって常に電子放出電流量が１μＡ・ｃｍ−２になるように設定した。なお、配置した電子放出素子３０全てが、それぞれ電子放出電流量が１μＡ・ｃｍ−２になるように設定した。また、第２電源Ｖ２により薄膜電極と中間転写ベルトとの間に３００Ｖの電圧を印加した。
【００６９】
上記のように作製した電子放出素子３０を、中間転写ベルト２１の移動方向に６個、それぞれ５０ｍｍの間隔をあけて設置した。また、中間転写ベルト２１には、厚さ１５０μｍのカーボンブラックを含有させたポリイミド製フィルムを用い、ベルト幅は３４ｃｍとした。
【００７０】
そして、１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させることに必要な時間を測定したところ、９ｓｅｃであった。ここでは、中間転写ベルト２１の温度は、赤外線を検出する非接触方式の放射温度計を用いて、現像部上流の中間転写ベルト２１上の温度測定を行った。
【００７１】
このように、中間転写ベルト２１の冷却装置として電子放出装置３１を用いることで、省スペースで中間転写ベルト２１に冷却装置が接触することなく効果的に冷却できることが確認できた。
【００７２】
（実施例２）
実施例２では、図２に示すように、送風装置３２を設置し、中間転写ベルト２１の移動方向と逆方向への風量が０．９Ｌ・ｍｉｎ−１・ｃｍ−２となるよう設定したこと以外は、実施例１と同様の物質、装置、条件とした。
【００７３】
１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させることに必要な時間を測定したところ、５ｓｅｃであった。このように、送風装置３２を加えることによって、更に効果的に冷却できることが確認できた。
【００７４】
（実施例３）
薄膜電極３０２と中間転写ベルト２１との間に４００Ｖの電圧を印加したこと以外は、実施例２と同様の物質、装置、条件とした。
【００７５】
１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させるのに必要な時間を測定したところ、２ｓｅｃであった。このように、薄膜電極と中間転写ベルト２１との間の電界を大きくすることによって、更に効果的に冷却できることが確認できた。
【００７６】
なお、上記の時間は電子放出電流量を任意で１μＡ・ｃｍ−２に設定したときの数値である。ここで、電子放出電流量と冷却効率は比例するため、電子放出電流量を高く設定するに伴って、冷却効率をさらに向上させることができる。従って、画像形成装置１０のプロセス速度に合わせて、所望の温度および時間で冷却することができる。
【００７７】
（比較例１）
比較例１として、電子放出装置３１を設置することなく、実施例２と同様の送風装置３２のみを中間転写ベルト２１上方に設置した。１００℃に熱せられた中間転写ベルト２１の温度を２０℃低下させるのに必要な時間を測定した。その結果、４０ｓｅｃであった。
【００７８】
なお、図６に実施例１から３および比較例１の単位面積あたりの冷却経時間変化を示す。
【００７９】
以上のように、電子放出装置３１を設置することによって、効果的に中間転写ベルト２１を冷却することができる。
【００８０】
なお、本発明は上述した実施形態および実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る冷却装置は、転写定着時に加熱された無端ベルトを、省スペースでオゾンレスで十分に冷却して、従来よりも効果的に熱による画像記録部の劣化を防止し、かつ転写ベルトの劣化も防止できるため、転写定着一体方式の、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一実施形態の画像形成装置の部分的構成を示す模式図である。
【図２】上記画像形成装置の冷却部の構成を示す模式図である。
【図３】上記冷却部の電子放出装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】上記電子放出装置が備える電子放出素子の斜視断面図である。
【図５】上記電子放出素子の電子加速層の詳細な断面図である。
【図６】実施例１から３および比較例１の単位面積あたりの冷却経時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８３】
１ トナー像形成部
２ 転写定着部
３ 冷却部（ベルト冷却装置）
１０ 画像形成装置
１１ 感光体
１２ 帯電手段
１３ 現像手段
２１ 中間転写ベルト（無端ベルト）
２２ 転写定着ローラ（転写定着手段）
２４ 中間転写ローラ（中間転写手段）
２６ 加圧ローラ
３０ 電子放出素子
３１ 電子放出装置（ベルト冷却装置）
３２ 送風装置
３０１ 電極基板
３０２ 薄膜電極
３０３ 電子加速層
３０６ 絶縁体の微粒子（絶縁体物質）
３０７ 金属微粒子（導電微粒子）
Ｖ１ 第１電源（第１電圧印加手段）
Ｖ２ 第２電源（第２電圧印加手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像担持体に形成されたトナー像を無端ベルトに中間転写する中間転写手段と、無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、を備えた画像形成装置の、上記無端ベルトを冷却するため、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、ベルト冷却装置であって、
電極基板、薄膜電極、および該電極基板と該薄膜電極とに挟まれた電子加速層、を有する電子放出素子と、
上記電子加速層にて電子を加速させ、上記薄膜電極から当該電子が放出するよう、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、
上記薄膜電極と上記無端ベルトとの間に電圧を印加する第２電圧印加手段と、
を備え、
上記薄膜電極は、上記無端ベルトと対向して配置され、
上記電子加速層は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいることを特徴とするベルト冷却装置。
【請求項２】
上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に、上記無端ベルトの移動方向と逆方向に送風する送風装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載のベルト冷却装置。
【請求項３】
上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする、請求項１または２に記載のベルト冷却装置。
【請求項４】
上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項５】
上記絶縁体物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項６】
上記絶縁体物質は微粒子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項７】
上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項８】
上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項９】
上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいること特徴とする請求項８に記載のベルト冷却装置。
【請求項１０】
像担持体からトナー像を無端ベルト上へ中間転写する中間転写手段と、
上記無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、
上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、請求項１から９のいずれか１項に記載のベルト冷却装置と、
を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
像担持体に形成されたトナー像を無端ベルトに中間転写する中間転写手段と、無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、を備えた画像形成装置の、上記無端ベルトを冷却するため、上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、ベルト冷却装置であって、
電極基板、薄膜電極、および該電極基板と該薄膜電極とに挟まれた電子加速層、を有する電子放出素子と、
上記電子加速層にて電子を加速させ、上記薄膜電極から当該電子が放出するよう、上記電極基板と上記薄膜電極との間に電圧を印加する第１電圧印加手段と、
上記薄膜電極と上記無端ベルトとの間に電圧を印加する第２電圧印加手段と、
を備え、
上記薄膜電極は、上記無端ベルトと対向して配置され、
上記電子加速層は、導電体からなり抗酸化力が高い導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい絶縁体物質とを含んでいることを特徴とするベルト冷却装置。
【請求項２】
上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に、上記無端ベルトの移動方向と逆方向に送風する送風装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載のベルト冷却装置。
【請求項３】
上記導電微粒子は、貴金属であることを特徴とする、請求項１または２に記載のベルト冷却装置。
【請求項４】
上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、パラジウム、及びニッケルの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項５】
上記絶縁体物質は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、及びＴｉＯ２の少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項６】
上記絶縁体物質は微粒子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項７】
上記薄膜電極は、金、銀、炭素、タングステン、チタン、アルミ、及びパラジウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項８】
上記導電微粒子の周囲に、当該導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質が存在することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のベルト冷却装置。
【請求項９】
上記導電微粒子の周囲に存在する上記導電微粒子の大きさより小さい絶縁体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいること特徴とする請求項８に記載のベルト冷却装置。
【請求項１０】
像担持体からトナー像を無端ベルト上へ中間転写する中間転写手段と、
上記無端ベルト上に中間転写されたトナー像を少なくとも加熱して記録媒体へ転写定着する転写定着手段と、
上記転写定着手段の下流かつ上記中間転写手段の上流に配置される、請求項１から９のいずれか１項に記載のベルト冷却装置と、
を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１２８４６３（Ｐ２０１０−１２８４６３Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０６４３１（Ｐ２００８−３０６４３１）
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]