JP7499331B2 - 現像ロール - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を利用する画像形成装置における現像ロールに関する。

電子写真方式を利用する画像形成装置には、感光体ドラムに現像剤すなわちトナーを供給する現像装置が設けられている。現像装置は、トナー容器と、現像ロールを有する。現像ロールの外周面に付着したトナーは、現像ロールの回転に伴って、感光体ドラムに供給される。感光体ドラムには静電潜像が形成されており、静電潜像にトナー粒子が現像ロールから転移することによって、トナー顕像が生成される（特許文献１）。

現像装置は、さらに規制ブレードまたはドクターブレードと呼ばれる部材を有する。ドクターブレードは、現像ロールに付着してトナー容器から搬送されるトナー粒子の量を規制する。ドクターブレードは、現像ロールにある程度の力で接触させられている。

特開２００２－３７２８５５号公報

現像ロールは、感光体ドラムにある程度の力で接触させられており、上記のようにドクターブレードからも力を受ける。このような力を受ける環境で使用される現像ロールの耐久性を高める需要がある。

そこで、本発明は、高い耐久性を有する現像ロールを提供する。

本発明のある態様に係る現像ロールは、電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される。現像ロールは、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備える。この現像ロールにおいて、値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上である。ここで、値Ｘは、下記の式から計算される。
Ｘ＝Ｐ_１／（Ｄ_１・Ａ）－Ｐ_２／（Ｄ_２・Ａ）
Ｐ_１は、先端直径が４０μｍの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重である。Ｄ_１は荷重Ｐ_１で前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。Ａは前記プローブの先端面積である。Ｐ_２は、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重である。Ｄ_２は荷重Ｐ_２で前記プローブによってもたらされた前記材料ロールの変位である。値Ｙは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。

値Ｘは、表層の圧縮強さの一種の指標である。この態様においては、値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であることによって、表層の摩耗が少ない。値Ｙは、表層の圧縮靭性の指標である。この態様においては、値Ｙが２２９μｍ以上であることによって、表層が弾性層から剥離しにくい。したがって、値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上である場合、現像ロールは高い耐久性を有し、その寿命が長い。

本発明のある態様に係る現像ロールは、電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される。現像ロールは、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備える。この現像ロールにおいて、値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上である。ここで、値Ｚは、下記の式から計算される。
Ｚ＝（Ｐ_１－Ｐ_２）／Ａ
Ｐ_１は、先端直径が４０μｍの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重である。Ｐ_２は、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重である。Ａは前記プローブの先端面積である。値Ｙは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。

値Ｚは、表層の圧縮強さの一種の指標である。この態様においては、値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であることによって、表層の摩耗が少ない。値Ｙは、表層の圧縮靭性の指標である。この態様においては、値Ｙが２２９μｍ以上であることによって、表層が弾性層から剥離しにくい。したがって、値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上である場合、現像ロールは高い耐久性を有し、その寿命が長い。

本発明の実施形態に係る現像ロールの使用状態を示す図である。 実施形態に係る現像ロールの断面図である。 圧縮試験中の現像ロールの正面図である。 圧縮試験中の現像ロールの拡大断面図である。 圧縮試験中の現像ロールの拡大断面図である。 圧縮試験から得られる荷重－変位線図である。 現像ロールの表面に発生しうる摩耗痕を示す現像ロールの平面図である。 現像ロールの表層の剥離を示す現像ロールの平面図である。 現像ロールの表層の剥離を示す現像ロールの断面図である。 現像ロールの複数のサンプルの表層の指標の測定結果と、これらのサンプルの耐久性試験の結果を示す表である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施形態を説明する。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。

図１に示すように、電子写真方式を利用する画像形成装置は、感光体ドラム１０と現像装置１１を有する。感光体ドラム１０は矢印の方向に回転する。現像装置１１は、現像剤であるトナー粒子１２を感光体ドラム１０に供給する。感光体ドラム１０の表面には、潜像形成装置（図示せず）によって静電潜像が形成されており、静電潜像にトナー粒子１２が現像装置１１から転移することによって、トナー粒子１２によるトナー顕像が感光体ドラム１０の外周面に生成される。

現像装置１１は、トナー粒子の集合１３を貯蔵するトナー容器１４、トナー容器１４内に全部が配置された弾性ロール１５、トナー容器１４内に一部が配置された現像ロール２０、およびトナー容器１４に支持されたドクターブレード１６（規制ブレード）を有する。弾性ロール１５は現像ロール２０に向けて押圧されており、現像ロール２０は感光体ドラム１０に向けて押圧されている。弾性ロール１５と現像ロール２０は、それぞれ矢印で示す方向に回転させられ、トナー容器１４内のほぼ一定量のトナー粒子が現像ロール２０に付着する。したがって、現像ロール２０の外周面にトナー粒子の薄い層が形成される。現像ロール２０の回転に伴って、現像ロール２０に付着したトナー粒子は、感光体ドラム１０に向けて搬送される。トナー容器１４のトナー粒子の出口に配置されたドクターブレード１６は、現像ロール２０の外周面に押圧されており、現像ロール２０に付着してトナー容器１４から搬送されるトナー粒子の量を規制する。このように、現像ロール２０は、感光体ドラム１０、弾性ロール１５、ドクターブレード１６の各々に、ある程度の力で接触させられている。

図示しないが、現像装置１１には、トナー容器１４内のトナー粒子の集合１３を攪拌する部材、トナー容器１４内のトナー粒子を搬送するスクリューなどを設けてもよい。

図２に示すように、現像ロール２０は、金属製の円柱形の芯材２１と、芯材２１の周囲に配置されたゴム製の均一な厚さの弾性層２２と、弾性層２２の周囲に配置されたゴム製の均一な厚さの表層２３を備える。芯材２１の直径は数ｍｍであり、弾性層２２の厚さは１～３ｍｍであり、表層２３の厚さは数μｍ～数十μｍである。

弾性層２２と表層２３の両方はゴムから形成されている。実施形態では、弾性層２２と表層２３の両方はシリコーンゴムから形成されている。但し、弾性層２２は現像ロール２０の弾性を確保するために設けられ、表層２３は現像ロール２０の表面の耐摩耗性を向上するために設けられている。したがって、表層２３の材料の成分は、弾性層２２の材料の成分と異なる。

実施形態では、表層２３は下記のようにして製造した。
まず、第１段階で、下記の材料を混合した。
固形分が８０重量％であるウレタン変性ヘキサメチレンジイソシアネート（旭化成株式会社（日本国東京）で製造された「デュラネート」（商品名）のグレード「Ｅ４０２－８０Ｂ」）を、１６．５重量％、
反応性シリコーン油（信越化学工業株式会社（日本国東京）で製造された「Ｘ－２２－１６０ＡＳ」（商品名））を、３６．７重量％、
希釈溶剤として酢酸ブチルを、４６．８重量％。

そして、混合物を１２０℃で３時間放置することで、成分の反応を促し、プレポリマーを生成した。

次に、第２段階で、下記の材料を混合した。
第１段階で生成されたプレポリマー、
バインダーとして、固形分が７５重量％であるイソシアネート（住化コベストロウレタン株式会社（日本国兵庫）で製造された「デスモジュールＬ７５」（商品名））、
固形分が２０～３０重量％であるカーボン分散液（御国色素株式会社（日本国兵庫）で製造された「ＭＨＩ－ＢＫ」（商品名））、
希釈溶剤として酢酸ブチルを、４４．７重量％。

さらに、第３段階で、第２段階で得られた混合物に、シリコーンゴム粒子を２．６重量％添加して、コーティング液を得た。シリコーンゴム粒子は、デュポン・東レ・スペシャルティ・マテリアル株式会社（日本国東京）で製造された「ＥＰ－２７２０」（商品名）であった。デュロメータ（「ＪＩＳ Ｋ ６２５３」および「ＩＳＯ ７６１９」に準拠した「タイプＡ」）を用いて測定したシリコーンゴム粒子の硬度は、７０度であった。シリコーンゴム粒子の平均粒径は２μｍであった。

第４段階で、このコーティング液を弾性層２２の周囲にコートして、乾燥させることで、表層２３を形成した。

出願人は、表層２３の材料成分を調整し、表層２３の性質が異なる複数のサンプルを製造した。具体的には、第２段階のプレポリマー、イソシアネート、カーボン分散液の割合を変更した。

各サンプルにおいて、芯材２１の直径は６ｍｍであり、弾性層２２の厚さは１．５ｍｍであり、表層２３の厚さは１０μm±２μmであった。但し、１つのサンプル（図１１のサンプル２０）では、表層２３の厚さは２０μmであった。

出願人は、これらのサンプルの表層２３の耐久性を示す指標Ｘ，Ｙを測定した。また、出願人は、実際にこれらのサンプルをプリンターに装着してサンプルの耐久性を試験した。

図３から図５は、サンプルの表層２３の耐久性を示す指標を測定するための圧縮試験の様子を示す。圧縮試験では、圧縮試験機３０を使用した。圧縮試験機３０は、円柱形状の可動軸３１と、可動軸３１の先端に形成されたプローブ３２を有する。可動軸３１とプローブ３２は金属製である。圧縮試験機３０は、自動的に可動軸３１を押し下げながら、プローブ３２の変位とプローブ３２に与えられる荷重を測定することができる。

圧縮試験機３０として、Ludwig Nano Prazision GmbH（ドイツ国ノルトハイム）で製造された「LNP nano touch」を使用した。プローブ３２は、可動軸３１から離れるほど直径が小さい円錐台形状であり、プローブ３２の先端直径ｄは４０μｍであった。円錐台の頂角θは３０度であった。

図３に示すように、現像ロール２０の長手方向中央にプローブ３２の先端を接触させ、可動軸３１を駆動して、プローブ３２を現像ロール２０の外周面の法線方向（径方向）に押し込んだ。「LNP nano touch」でV-controlモードを選択したことにより、押し込み速度は、ほぼ一定であり、約５０μｍ／ｓであった。押し込みの最大深さは、弾性層２２の厚さである１．５ｍｍより、僅かに小さく設定した。

押し込みの工程の間中、プローブ３２の変位とプローブ３２に与えられる荷重を記録した。「LNP nano touch」では、変位の分解能（変位の読み取りの刻み）は１０ｎｍである。記録結果から、値Ｘ_１と値Ｙと値Ｚ_１を得た。

値Ｘ_１と値Ｚ_１は下記の式から計算された。
Ｘ_１＝Ｐ_１／（Ｄ_１・Ａ）
Ｚ_１＝Ｐ_１／Ａ

ここで、Ｐ_１は、先端直径ｄが４０μｍの円錐台形状の金属製のプローブ３２を、現像ロール２０に押し付けて現像ロール２０を径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重である。つまり、Ｐ_１は図４の状態でのプローブ３２に与えられる荷重である。Ｄ_１は、荷重Ｐ_１でプローブ３２によってもたらされた現像ロール２０の変位である。要するに、Ｄ_１は、図４の状態でのプローブ３２の変位であるから、約１００μｍであるが、押し込みの工程において、プローブ３２の変位の読み取り値が１００μｍを初めて超えた時の、その読み取り値である。より正確にいえば、Ｐ_１も、押し込みの工程において、プローブ３２の変位の読み取り値が１００μｍを初めて超えた時の荷重である。

Ａは、プローブ３２の先端面積であり、下記の式から計算される。
Ａ＝π・（ｄ／２）^２

値Ｙは、プローブ３２を現像ロール２０に押し付けて現像ロール２０の径方向に変位させて、図５に示すように、表層２３を突き破った時の、プローブ３２によってもたらされた現像ロール２０の変位である。図６は、圧縮試験から得られる荷重－変位線図である。値Ｙは、図６に示すような、急激な荷重の下落が起こった時の変位量である。値Ｙは、圧縮試験で得られる値であるが、引っ張り試験での破断伸びに対応する。但し、破断伸びは、変形量を元の全長で除算して得られる歪、すなわち無次元量であるが、値Ｙは変形量であって、μｍで表される。値Ｙは、表層２３の圧縮靭性の指標である。

一方、値Ｘ_１は、現像ロール２０の圧縮強さ（端的に言えば硬さ）の指標であると考えることができる。但し、Ｘ_１は、表層２３だけでなく弾性層２２の硬さの影響を受けている。そこで、芯材２１と弾性層２２を有し、表層２３を有しない材料ロール（図示せず）を準備し、材料ロールについて、値Ｘ_２と値Ｚ_２を下記の式から計算した。

Ｘ_２＝Ｐ_２／（Ｄ_２・Ａ）
Ｚ_２＝Ｐ_２／Ａ
ここで、Ｐ_２は、プローブ３２を、材料ロールに押し付けて材料ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重である。Ｄ_２は、荷重Ｐ_２でプローブ３２によってもたらされた材料ロールの変位である。Ｄ_２は、約１００μｍであるが、押し込みの工程において、プローブ３２の変位の読み取り値が１００μｍを初めて超えた時の、その読み取り値である。より正確にいえば、Ｐ_２も、押し込みの工程において、プローブ３２の変位の読み取り値が１００μｍを初めて超えた時の荷重である。

そして、弾性層２２の硬さの影響が相殺された値Ｘと値Ｚを下記の式から計算した。
Ｘ＝Ｘ_１－Ｘ_２
Ｚ＝Ｚ_１－Ｚ_２

したがって、値Ｘと値Ｚは下記の式から計算されうる。
Ｘ＝Ｐ_１／（Ｄ_１・Ａ）－Ｐ_２／（Ｄ_２・Ａ）
Ｚ＝（Ｐ_１－Ｐ_２）／Ａ

値Ｘと値Ｚは、表層２３の圧縮強さ（端的に言えば硬さ）の指標であると考えることができる。具体的には、値Ｘは、プローブ３２によって現像ロール２０が径方向に１００μｍ変位させられるのに要する力とプローブ３２によって材料ロールが径方向に１００μｍ変位させられるのに要する力の差を、ロールに突き刺されたプローブ３２の体積で除算した値とほぼ等しい。値Ｚは、上記力の差を、プローブ３２の先端面積で除算した値と等しい。

耐久性試験では、ブラザー工業株式会社（日本国愛知）で製造されたカラープリンター「ＨＬ－Ｌ８３６０ＣＤＷ」（商品名）に、各サンプルを装着した。そして、プリンターで印刷を行い、各サンプルが、６０００枚のＡ４のシートへの印刷の後、表層２３が摩耗痕を有するか否か、および表層２３の剥離を有するか否かを目視で判断した。印刷では、各シートの全面に１％の濃度の一様な画像を形成した。

表層２３の過度な摩耗は、図７の現像ロール２０の平面図に示すように、表層２３に線状の摩耗痕４０として現れる。摩耗痕４０は、現像ロール２０の周方向に延びる。これは、回転する現像ロール２０の外周面にドクターブレード１６の一部が接触し、表層２３を摩耗させることが原因である。

表層２３の剥離は、図８（平面図）および図９（断面図）に示すように、弾性層２２の露出をもたらす。

図１０は、複数のサンプルの値Ｘ，Ｙ，Ｚと、これらのサンプルの耐久性試験の結果を示す。サンプル１～１２、２０においては、表層２３に摩耗痕も剥離も発生しなかった。サンプル１３～１９においては、表層２３に摩耗痕または剥離が発生した。

図１０に示された結果から、値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上であることが好ましいことが分かる。また、値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上であることが好ましいことが分かる。値Ｘと値Ｚは、表層２３の圧縮強さの一種の指標である。値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であることによって、表層２３の摩耗が少ない。値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であることによって、表層２３の摩耗が少ない。値Ｘと値Ｚがより小さいサンプル１３～１５では、表層２３に摩耗痕が発生した。

値Ｙは、表層２３の圧縮靭性の指標である。値Ｙが２２９μｍ以上であることによって、表層２３が弾性層２２から剥離しにくい。値Ｙがより小さいサンプル１６～１９では、表層２３の剥離が発生した。

したがって、値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上である場合、現像ロール２０は高い耐久性を有し、その寿命が長い。同様に、値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上である場合、現像ロール２０は高い耐久性を有し、その寿命が長い。

値Ｘ，Ｙ，Ｚの好ましい上限は不明であるが、値Ｘが２１５．５Ｎ／ｍｍ^３であり、値Ｚが２１．５５Ｎ／ｍｍ^２であるサンプル１２では表層２３に摩耗痕も剥離も発生せず、値Ｙが８９０μｍであるサンプル１では表層２３に摩耗痕も剥離も発生しなかった。したがって、値Ｘの好適な範囲は、６５．６Ｎ／ｍｍ^３から２１５．５Ｎ／ｍｍ^３の範囲を少なくとも含み、値Ｙの好適な範囲は、２２９μｍから８９０μｍの範囲を少なくとも含む。値Ｚの好適な範囲は、６．５６Ｎ／ｍｍ^２から２１．５５Ｎ／ｍｍ^２の範囲を少なくとも含む。

サンプル２０の表層２３の厚さは、２０μｍであって、他のサンプルの表層２３の厚さより大きい。サンプル２０の表層２３の材料成分は、サンプル２の表層２３の材料成分と同じであり、サンプル２，２０の相違は表層２３の厚さのみである。サンプル２，２０は、ほぼ同じ結果を有する。したがって、表層２３の厚さが異なっていても、値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上であることが好ましいと考えられる。同様に、値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であって、値Ｙが２２９μｍ以上であることが好ましいと考えられる。

以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。

２０ 現像ロール
２１ 芯材
２２ 弾性層
２３ 表層

Claims (4)

1. 電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される現像ロールであって、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備え、
   値Ｘが６５．６Ｎ／ｍｍ^３以上であって、
   値Ｙが２２９μｍ以上である、
   ことを特徴とする現像ロール。
   ここで、値Ｘは、下記の式から計算され、
   Ｘ＝Ｐ_１／（Ｄ_１・Ａ）－Ｐ_２／（Ｄ_２・Ａ）
   Ｐ_１は、先端直径が４０μｍの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重であり、Ｄ_１は荷重Ｐ_１で前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位であり、Ａは前記プローブの先端面積であり、
   Ｐ_２は、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重であり、Ｄ_２は荷重Ｐ_２で前記プローブによってもたらされた前記材料ロールの変位であり、
   値Ｙは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。
2. 値Ｘが２１５．５Ｎ／ｍｍ^３以下であって、
   値Ｙが８９０μｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の現像ロール。
3. 電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される現像ロールであって、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備え、
   値Ｚが６．５６Ｎ／ｍｍ^２以上であって、
   値Ｙが２２９μｍ以上である、
   ことを特徴とする現像ロール。
   ここで、値Ｚは、下記の式から計算され、
   Ｚ＝（Ｐ_１－Ｐ_２）／Ａ
   Ｐ_１は、先端直径が４０μｍの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重であり、Ｐ_２は、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に１００μｍ深く変位させるのに要する荷重であり、Ａは前記プローブの先端面積であり、
   値Ｙは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。
4. 値Ｚが２１．５５Ｎ／ｍｍ^２以下であって、
   値Ｙが８９０μｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の現像ロール。

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