JP5068487B2 - 作像ローラ - Google Patents

Description

本発明は、複写機、プリンター、ファクシミリ等の電子写真方式に基づく画像形成装置の作像部に使用される作像ローラに係り、特に、樹脂系シャフトを備える作像ローラに関する。

複写機、プリンター、ファクシミリ等の電子写真方式に基づく画像形成装置の作像部には、転写ローラ、トナー供給ローラ、現像ローラ、クリーニングローラ等作像に関与する作像ローラが使用されている。従来、そのような作像ローラは、金属製のシャフトの外周に導電性弾性層を設けた構成のものであるが、近年、画像形成装置の小型化、軽量化等の要請により、シャフトを樹脂組成物で形成することが試みられている。例えば、特許文献１および特許文献２には、ポリアミド等の合成樹脂および導電剤と、場合により繊維を含む樹脂組成物からなる非磁性現像ローラが開示されている。また、特許文献３には、ポリアミド樹脂と導電性材料を含む導電性樹脂組成物からなるシャフトを備える現像ローラが開示されている。

しかしながら、従来の樹脂系シャフトは、上記特許文献２に記載されているように、樹脂系シャフトを配設した金型内で導電性弾性材料を発泡させることだけによるか、発泡させた導電性弾性材を所定形状に成形した後、これを樹脂系シャフトに接着することだけにより、導電性弾性層を設ける場合や、上記特許文献３に記載されているように、樹脂系シャフトに半導電性材をコーティングするだけにより半導電性層を設ける場合には、問題はないが、樹脂系シャフトの外周に導電性弾性材料を押し出し等により被覆した後、樹脂系シャフトのジャーナル部でシャフトを支持し、被覆した導電性弾性材料を研磨して導電性弾性層を形成する場合には、研磨の際に樹脂系シャフトがジャーナル部で破壊してしまい、作像ローラを作製できないという問題が生じる。

また、作像ローラは、上述のようにシャフトの外周に導電性弾性層が形成されるが、導電性弾性層の上には、弾性層の汚染の防止、耐摩耗性の向上、トナーに対する帯電性の最適化等を目的として、樹脂被覆層を設けることが一般である。しかし、シャフトを樹脂で形成した場合、樹脂被覆層の形成の際に適用される熱の影響で、作像ローラの寸法精度が低下し、振れ精度が低下してしまうことがわかった。
特開２００１−２１５７８０号公報 特開２００３−１９５６０１号公報 特開２００２−４０７９８号公報

したがって、本発明は、樹脂系シャフトを有しながら、導電性弾性材料の研磨加工によって破損することがなく、しかも樹脂被覆層の形成後も寸法精度の低下が抑制された作像ローラを提供することを目的とする。

本発明によれば、芳香族ポリアミド、ガラス繊維、導電材および任意に脂肪族ポリアミドを含む樹脂組成物から形成され、２５０ＭＰａ以上の曲げ強度および１５ＧＰａ以上の曲げ弾性率を示すシャフトと、このシャフトの外周面を覆って設けられ、表面が研磨加工された導電性弾性層と、この導電性弾性層の外周面を覆って設けられた被覆層を備え、前記樹脂組成物は、前記芳香族ポリアミドと前記脂肪族ポリアミドとの合計１００質量部に対し、前記ガラス繊維を１０〜３００質量部、前記導電材を０．１〜２０質量部の割合で含有し、前記芳香族ポリアミドと脂肪族ポリアミドの質量比が、１００：０〜５０：５０であり、前記被覆層は、紫外線硬化樹脂または電子線硬化樹脂を含むことを特徴とする作像ローラが提供される。

本発明の作像ローラは、シャフトが樹脂組成物で形成されたものでありながら、導電性弾性材料の研磨加工によって破損することがなく、しかも被覆層の形成後も寸法精度の低下が抑制されている。

本発明に係る作像ローラは、芳香族ポリアミド、ガラス繊維、および導電材粒子を含む樹脂組成物から形成されたシャフトを有し、このシャフトの外周に導電性弾性層が設けられている。導電性弾性層の外周面には、所定の樹脂被覆層が形成されている。

本発明に係る作像ローラの樹脂系シャフトは、２５０ＭＰａ以上の曲げ強度および１５ＧＰａ以上の曲げ弾性率を示す。曲げ強度および曲げ弾性率がこれら値未満であると、シャフトに導電性ゴム等の導電性弾性層を設けた後、その導電性弾性層を砥石等で研削・研磨する際に割れ等が発生し得る。曲げ強度は、通常、５００ＭＰａ以下であり、曲げ弾性率は、通常、３０ＧＰａ以下である。

本発明に係る作像ローラのシャフトは、さらに、７０℃以上のガラス転移点を示すことが好ましい。作像ローラは、通常、ユニットとして組み立てられ、応力のかかった状態で６０℃程度で保存されることが多い。また、ジャーナル部の切削加工時に６０℃程度の温度に加熱されることがある。ガラス転移点が７０℃未満であると、上記保存時にたわみが発生する可能性があり、また上記切削加工時に変形し、表面精度が低下するおそれがある。ガラス転移点は、通常、１００℃以下である。

また、本発明に係る作像ローラのシャフトは、さらに、１．８以下の比重を示すことが好ましい。比重が１．８を超えると、軽量化の要請に十分に応えることができないおそれがある。比重は、通常、１．０以上である。

さらに、本発明に係る作像ローラのシャフトは、１×１０⁵Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率を示すことが好ましい。１×１０⁵Ω・ｃｍを超える体積抵抗率は、シャフトの外周に設けられる導電性弾性層に必要な抵抗値よりも高くなり、印字に悪影響を及ぼす恐れがある。体積抵抗率は、通常、１×１０⁰Ω・ｃｍ以上である。

上記物性を示すシャフトは、上述のように、芳香族ポリアミド、ガラス繊維、および導電材粒子を含み、脂肪族ポリアミドをさらに含み得る樹脂組成物から形成されるものである。

芳香族ポリアミドは、主鎖に芳香族基を有するポリアミドであり、メタキシリレンジアミンと、アジピン酸、コハク酸、グルタル酸、ピメリン酸等のα，ω−脂肪族ジカルボン酸との重縮合反応により得られるものである。メタキシリレンジアミンとアジピン酸とから得られる芳香族ポリアミドは、ポリアミドＭＸＤ６として知られている。

脂肪族ポリアミドは、ヘキサメチレンジアミン等のポリメチレンジアミンと脂肪族ジカルボン酸との重縮合物の構造を有し、ポリアミド６、ポリアミド６，６等が含まれる。

ガラス繊維としては、それ自体既知のものを用いることができる。ガラス繊維の直径は、１〜５０μｍであることが好ましく、またその長さは、０．１〜１０ｍｍであることが好ましい。

導電材としては、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、ランプブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラックや、炭素繊維等を好適に用いることができる。炭素繊維の直径は、１〜５０μｍであることが好ましく、またその長さは、０．１〜１０ｍｍであることが好ましい。導電材としては、カーボンブラックと炭素繊維を併用することができる。

上記樹脂組成物は、シャフトに上記物性をもたらすために、芳香族ポリアミドと脂肪族ポリアミドとの合計１００質量部に対し、ガラス繊維を１０〜３００質量部、導電材を０．１〜２０質量部の割合で含有することが好ましい。芳香族ポリアミドと脂肪族ポリアミドの質量比は、１００：０〜５０：５０であることが好ましい。

本発明の作像ローラのシャフトは、射出成形等の方法により成形することができる。射出成形後、ジャーナル部を切削加工で仕上げることができる。すなわち、より詳しくは、本発明の作像ローラのシャフトは、シャフト本体と、シャフト本体の両端にそれぞれ一体的に設けられたジャーナル部を有する。

シャフト本体の外周に設ける導電性弾性層は、シリコーンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム等のゴム材料をベースとし、これに導電性を付与するためにカーボンブラックや金属粉等の導電物質を配合した導電性ゴム材料で形成することができる。導電性弾性層は、導電性ゴム材料をシャフト本体の外周に被覆した後、常法により砥石等で研磨・研削することによって形成される。あるいは、導電性弾性材料で形成されたチューブ体をシャフト本体の外周に接着させ、チューブ体を常法により研磨・研削することによっても導電性弾性層を形成することができる。いずれの場合にも、研磨は、本体の外周に設けられた導電性弾性材料を有するシャフトを両ジャーナル部で支持し、シャフトを回転させながら行う。最終の導電性弾性層（研磨後）の厚さは、研磨精度の観点から、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。研磨後の導電性弾性層の厚さは、通常１０ｍｍ以下である。

ところで、導電性弾性層が予め硬化させた導電性ゴムチューブからなる場合、樹脂系シャフトの外径に対し、導電性ゴムチューブの内径が過大であると、後に行われるチューブの研磨の際に、樹脂系シャフトに対しチューブの滑りが発生し、チューブの外径寸法精度の低下は、振れ精度の低下を招く一方、硬化導電性ゴムチューブの内径が過小であると、シャフトをチューブに圧入する際に発生する歪がチューブ中に残留し、チューブ外径振れ精度の低下を招く。この問題を解消するために、樹脂系シャフトの外径ｄｓに対する硬化導電性ゴムチューブの内径ｄｅの比ｄｅ／ｄｓを０．７５〜０．９７に設定し、および／または樹脂系シャフトの外径ｄｓと硬化導電性ゴムチューブの内径ｄｅとの差ｄｓ−ｄｅを０．３ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下に設定することが好ましい。

このような樹脂系シャフトの外径ｄｓとチューブの内径ｄｅとの関係を有することにより、硬化チューブの研磨の際に、樹脂系シャフトに対しチューブの滑りが発生せず、またシャフトをチューブに圧入する際に発生する歪がチューブ中に残留することがなく、寸法精度に優れた作像ローラが得られる。比ｄｅ／ｄｓは、０．８〜０．９５であることが好ましい。また、差ｄｓ−ｄｅは、０．５〜２．５ｍｍであることが好ましい。

導電性ゴムチューブは、シリコーンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム等のゴム材料をベースとし、これに導電性を付与するためにカーボンブラックや金属粉等の導電物質を配合した導電性ゴム材料で形成することができる。チューブは、未硬化の導電性ゴム材料をチューブ状に押出し、これを硬化させることにより形成できる。ここで、チューブは、その構成材料により、一次硬化のみで十分な場合と、一次硬化と二次硬化を行う方が好ましい場合がある。例えば、アクリロニトリルブタジエンゴム、ウレタンゴムは、８０℃〜１８０℃で５分〜２４時間で硬化させる一次硬化のみで十分である。他方、シリコーンゴムは、１００℃〜４００℃で１分〜１０時間の条件で一次硬化を行った後、１５０℃〜２５０℃で１時間〜２４時間の条件で二次硬化を行うことが好ましい。また、エチレンプロピレンゴムは、８０℃〜１８０℃で５分〜２４時間の条件で一次硬化を行った後、７０℃〜１５０℃で１時間〜６時間の条件で二次硬化を行うことが好ましい。

こうして得られた硬化導電性ゴムチューブを圧縮空気で拡径しながら、これに樹脂系シャフトを圧入する。その後、硬化導電性ゴムチューブ（導電性弾性層）を常法により砥石等で研磨・研削する。最終の導電性弾性層（研磨後）の厚さは、研磨精度の観点から、０．２ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であることが好ましい。樹脂系シャフトの外周とチューブの内周との間に接着剤、プライマー等を設けることは不要であり、樹脂系シャフトの外周とチューブの内周とを直接接触させることができる。

なお、予め硬化させた導電性ゴムチューブは、ガラス転移点が１００℃以下の樹脂系シャフトに適用することが特に有利である。このように低いガラス転移点を有する樹脂系シャフトは、上記一次硬化、二次硬化が行われるような高温で特に変形しやすいからである。特に本発明の樹脂系シャフトは、そのガラス転移点より＋４５℃を超える温度で加熱されると、変形が有意に生じやすい。

本発明の作像ローラにおいて、導電性弾性層の外周面には、弾性層の汚染の防止、耐摩耗性の向上、トナーに対する帯電性の最適化等を目的として、樹脂被覆層が設けられている。本発明において、この樹脂被覆層は、紫外線硬化樹脂または電子線硬化樹脂を含む。そのような紫外線または電子線硬化樹脂は、ポリエステルアクリレート、フッ素アクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、シリコーンアクリレート等のアクリレートモノマーを紫外線または電子線により硬化させることにより得られる。より具体的には、これらアクリレートモノマーにベンゾイルエーテル系、チオオキサン系、ベンゾフェノン系等の光開始剤を配合した紫外線または電子線硬化性組成物を導電性弾性層の外周面に塗布し、紫外線または電子線を照射して硬化樹脂被覆層を形成する。紫外線または電子線硬化性組成物に配合する光開始剤の量は、アクリレートモノマー１００質量部当たり、通常、０．１〜１０質量部である。紫外線または電子線硬化性組成物には、光開始剤による硬化反応を促進させるために、重合促進剤を配合することができる。重合促進剤としては、第３級アミン系、アルキルホスフィン系、チオエーテル系等の重合促進剤を用いることができる。重合促進剤の配合量は、アクリレートモノマー１００質量部当たり、通常、０．０１〜１０質量部である。さらに、紫外線または電子線硬化性組成物には、反応性希釈剤を配合することができる。反応性希釈剤は、紫外線または電子線硬化性組成物の粘度調整に用いられ、また反応性であることから硬化性組成物の硬化物（樹脂）中に取り込まれるため、非反応性希釈剤のように除去のために熱を掛ける必要はない。反応性希釈剤としては、例えば、アミノ酸または水酸基を含む化合物にアクリル酸をアミド化反応またはエステル化反応により結合させた単官能性、２官能性、多官能性の重合性化合物を例示することができる。より具体的には、ブタンジオール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ネオペンチルグリコールのジアクリレートである。紫外線または電子線硬化性組成物に配合する反応性希釈剤の量は、アクリレートモノマー１００質量部当たり、通常、１０〜２００質量部である。

樹脂被覆層の厚さは、通常、５〜１００μｍである。厚さが５μｍ未満では、耐久性に劣る場合があり、また厚さが１００μｍを超えると、その表面が硬くなりすぎ、トナーや感光体表面に対しダメージを与えるおそれがある。

本発明により、樹脂被覆層を紫外線硬化樹脂または電子線硬化樹脂で構成することにより、樹脂系シャフトは、高温（ガラス転移点より＋４５℃を超える温度）に供されることがなく、その熱による変形が防止される。

本発明の作像ローラは、いずれも、現像ローラのほか、転写ローラ、トナー供給ローラ、クリーニングローラ等として提供され得る。

以下、本発明の実施例を比較例とともに説明するが、本発明はそれらの例により限定されるものではない。

実施例１〜１０
芳香族ポリアミドとして三菱エンジニアリングプラスチックス社製ポリアミドＭＸＤ６を９０質量部、脂肪族ポリアミドとして三菱エンジニアリングプラスチックス社製ノバミッド（登録商標）１００７Ｊを１０質量部、ガラス繊維として旭ファイバーグラス社製ＣＳ０３−ＪＡＦＴ２を１００質量部、カーボンブラックとして三菱化学社製＃３０５０Ｂを１２質量部配合した組成物を用い、直径１０ｍｍ、面長（ゴム加工部）２３５ｍｍのシャフトを射出成形し、ジャーナル部を切削加工で仕上げ、ブラザー工業社製プリンターＨＬ−１８５０用現像ローラとして用いられる樹脂系シャフトを得た。樹脂系シャフトには破損は全くなかった。

得られた各シャフトの曲げ弾性率、曲げ強度、ガラス転移点、比重、表面抵抗を測定した。曲げ弾性率および曲げ強度は、東洋精機製作所社製ストログラフＶ１０−Ｃにより、ガラス転移点は、島津製作所社製示差熱分析装置ＤＳＣ−６０により、比重は、アルファミラージュ社製電子比重計ＭＤ−２００Ｓにより、体積抵抗率は、アドバンテスト社製抵抗計Ｒ８３４０により、それぞれ測定した。なお、ガラス転移点は、樹脂シャフトを５℃／分の加熱速度で加熱することによって測定した。曲げ弾性率は１８ＧＰａであり、曲げ強度は３４０ＭＰａであり、ガラス転移点は７８℃であり、比重は１．５であり、体積抵抗率は３×１０²であった。

他方、カーボンブラックが配合された未硬化シリコーンゴム材料（東レ・ダウコーニング社製ＤＹ３２−４０３６）をチューブ状に押出し成形し、４００℃で２分間硬化（一次硬化）させた後、所定の長さに切断し、２００℃で４時間硬化（二次硬化）させて、内径ｄｅが７．５〜９．７ｍｍで外径が２０ｍｍのチューブを得た。

各チューブを圧縮空気で拡径しながら、これに上記樹脂系シャフトを圧入した後、表面を研磨し、外径が２０ｍｍのローラを作製した。なお、導電性シリコーンゴムチューブの体積抵抗率は１０⁶Ω・ｃｍであり、ＪＩＳ Ａ硬度は４５゜であった。

さらに、こうして得られたローラのいくつかについて振れを常法により測定した。すなわち、各ローラをジャーナル部で支持し、シャフトを回転させたときのシャフトの長手方向３箇所でのシャフトの変位の最大値と最小値を東京光電子工業製レーザ側長機ＲＳＶ１５１００を用いて光学的に測定し、その差をシャフトの振れとして求めた。結果を下記表１に、「振れ（樹脂被覆層形成前）」として示す。

次に、各ローラの導電性シリコーンゴムチューブ表面に対し１０秒間のプラズマ処理（キーエンス社製プラズマ処理器ＳＴ−７０００）を行った後、下記組成の紫外線硬化性樹脂組成物または電子線硬化性樹脂組成物を浸漬塗布し、紫外線（照射装置：アイグラフィックス社製ＥＸＨ８８０；露光量：４００ｍＪ／ｃｍ²）または電子線（照射装置：岩崎電気社製ＬＢ−ＨＰ０１；吸収線量：４０ＫＧｙ）を２５℃で照射して硬化させ、それぞれ厚さ１０μｍの樹脂被覆層を形成し、作像ローラを得た。

＜紫外線硬化性樹脂組成物＞
モノマー：新中村化学社製ウレタンアクリレート（ＵＡシリーズ）１００質量部
反応性希釈剤：ジエチレングリコールジアクリレート３０質量部
光開始剤：２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクチルオキシベンゾフェノン５質量部
＜電子線硬化性樹脂組成物＞
モノマー：新中村化学社製ウレタンアクリレート（ＵＡシリーズ）１００質量部
光開始剤：２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクチルオキシベンゾフェノン５質量部。

こうして得られた作像ローラのいくつかについて、上記と同様に振れを測定した。結果を表１に、「振れ（樹脂被覆層形成後）」として示す。

比較例１〜１０
フッ素含有ポリオール（ダイキン工業社製ゼッフル）１００質量部と導電性カーボンブラック（キャボット社製）５質量部に酢酸ブチル３００質量部を加え、分散機を用いて分散させた。この分散物に揮発性シリコーン油（信越化学工業社製ＫＦ９６Ｌ）５質量部を加え、攪拌し主剤とした。この主剤に硬化剤としてウレタン変性ヘキサメチレンジイソシアネート（旭化成工業社製デュラネート）を主剤中のヒドロキシル基の当量と、硬化剤中のイソシアネート基の当量とが１：１となるように配合してコーティング材を調製した。このコーティング材を実施例１〜５で作製したローラ（樹脂被覆層形成前のもの）の導電性シリコーンゴムチューブ表面に厚さが１０μｍとなるようにスプレー塗装し、風乾した後、１６０℃で４０分加熱して微小多孔質被覆層を形成し、現像ローラを得た。この現像ローラの振れを上記と同様に測定した。結果を表２に示す。

実施例１〜１０および比較例１〜１０で得た現像ローラをブラザー工業社製プリンターＨＬ−１８５０に組み込み、１０枚の通紙試験を行い、画像を以下の基準で評価した。

＜画像評価基準＞
画像ムラなし…○
画像ムラややあるが実用上問題ない…△
画像ムラあり実用に耐えない…×
結果を、実施例１〜１０については、表１に、比較例１〜１０については表２に示す。

表１に示す結果から明らかなように、実施例１〜１０の現像ローラは、樹脂被覆層を紫外線または電子線の照射により、［樹脂シャフトのガラス転移点＋４５℃］の温度未満の温度で硬化させているため、変形がなく、したがって振れも小さく、鮮明な画像を与える現像ローラを提供することができる。これに対し、表２に示すように、比較例１〜１０の現像ローラは被覆層を形成するとき、１６０℃という高温を用いているため、変形が大きく、濃度ムラが生じている。

Claims (6)

1. 芳香族ポリアミド、ガラス繊維、導電材および任意に脂肪族ポリアミドを含む樹脂組成物から形成され、２５０ＭＰａ以上の曲げ強度および１５ＧＰａ以上の曲げ弾性率を示すシャフトと、
   このシャフトの外周面を覆って設けられ、表面が研磨加工された導電性弾性層と、
   この導電性弾性層の外周面を覆って設けられた被覆層を備え、
   前記樹脂組成物は、前記芳香族ポリアミドと前記脂肪族ポリアミドとの合計１００質量部に対し、前記ガラス繊維を１０〜３００質量部、前記導電材を０．１〜２０質量部の割合で含有し、前記芳香族ポリアミドと脂肪族ポリアミドの質量比が、１００：０〜５０：５０であり、
   前記被覆層は、紫外線硬化樹脂または電子線硬化樹脂を含む
   ことを特徴とする作像ローラ。
2. 前記導電性弾性層が、弾性材料として、シリコーンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ウレタンゴムおよびエチレンプロピレンゴムからなる群の中から選ばれるゴム材料を含む請求項１に記載の作像ローラ。
3. 前記導電性弾性層が、予め硬化させた導電性ゴムチューブにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の作像ローラ。
4. 前記シャフトの外径ｄｓに対する前記チューブの内径ｄｅの比ｄｅ／ｄｓが０．７５〜０．９７であるか、および／または前記シャフトの外径ｄｓと前記チューブの内径ｄｅとの差ｄｓ−ｄｅが０．３ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下である請求項３に記載の作像ローラ。
5. 前記被覆層が、アクリレート系樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の作像ローラ。
6. 前記被覆層が、ポリエステルアクリレート、フッ素アクリレート、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、またはシリコーンアクリレートの硬化物を含むことを特徴とする請求項５に記載の作像ローラ。