JP2005127898A - ローラ体形状測定装置、測定方法及びローラ体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単な構成においてローラ体の胴部の外周形状と表面形状の両方を同時に計測し演算処理を活用することにより、例えば画像形成装置における形成画像に影響する特性値を容易に評価可能とする。
【解決手段】 被測定対象たるローラ体を保持して軸回りに回転させるための機構と、被測定部の外周形状を連続検出する機構と、検出された外周形状を電気的変動に変換し当該電気的変動をデジタル化しデジタル化した信号を演算処理する機構を有するような、ローラ体形状測定装置。
【選択図】 図４

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の乾式トナーを使用した電子写真方式画像形成装置における現像部、帯電部、転写部、定着部に利用されるローラ形状の製作物（ワーク）の形状を測定する装置ないし方法に関するもので、その測定装置は、また現像ローラなど画像形成装置に用いるローラ体以外の、他の適用分野に用いられる各種の精密ローラの形状測定にも利用できるものである。そして本発明はまた、そのような測定装置をローラ状製作物の選別工程に用いることにも関する。

特開平１０−１３２５５２

電子写真方式の画像形成装置においては、感光体表面に光を照射して静電潜像を形成し、そこに現像剤担持体を介してトナーを付着させ、これを用紙に転写し定着させることで画像形成を行うようになっている。そして顕像化の際に用いられる現像剤担持体（現像スリーブ）の表面は、低速タイプの場合を除いて、溝加工やサンドブラスト加工等の荒らし加工が施されている。これは、高速で回転する現像スリーブ上で現像剤がスリップして停滞することで、画像濃度の低下が発生することを防止するためである。

図１に、現像ローラと現像ユニット構造を示す。現像ローラ１は内側に磁場発生手段を有し、外側には回転自在な現像スリーブを両端のフランジにて固定していて、現像装置上に軸受を介し固定されている。現像スリーブは感光体２や現像剤規制手段（ブレード）３と近接しているので、上記電子写真プロセスにおいて画像濃度の濃淡を回避し適正な画像を得るには、現像スリーブに均一な形状寸法精度が要求される。形状寸法精度のバラツキの大きさを示す特性値としては、外振れ、全振れ、真直度、真円度等を挙げることができる。たとえば現像スリーブに振れがあると、ブレードや感光体ドラムとのギャップが現像スリーブの回転周期で変動することになり、現像剤量のムラや現像能力のムラを生じてしまい、結果として画像上に現像スリーブピッチのムラを生じてしまう。したがって高画質を得るためにはスリーブの振れ精度を高くする必要がある。

また経時的に安定した画像を得るためには、現像スリーブの表面はサンドブラスト処理によるよりも、溝を有する構成になっていた方が有利であるが、溝形状の場合、図２に示すような全周にかけて溝の深さ偏差があると、形成される画像上に濃度ムラが発生してしまうことが知られている。つまり、溝深さが全周にわたってバラツキのないことが好ましいことが判っている。

一方、高精度のローラ形状を測定する方法としては、テコ式ダイヤルゲージのような接触式の変位計と、レーザやＬＥＤを応用した非接触式の変位計が知られているが、現像スリーブ等では、要求される精度が１０μｍ以下となってきているため、非接触式が主流となっている。

しかしながら、現在広く用いられている振れの測定は特許文献１に示されるごとく、測定対象物たるワーク１０のジャーナル部１１を支持し、不図示の駆動ローラ等により、ワークジャーナル部もしくはワーク受け部（ワークジャーナル受け部）をワーク軸回りに回転させ、透過型レーザ測長機１２をワーク測定部にセットし、そのレーザを用いて、ワーク１０を連続的に数回転させた時のレーザ測定値の変動を振れ値として読み込むことで行われる（図３）。

このような方式の問題点としては
(1)ワークの投影形状を測定することになるので、上記した溝スリーブの溝深さ偏差といった表面の凹凸量を測定することができない。
(2)外周の溝形状を測定するのには表面粗さ計などの接触式の測定装置を用いて測定するか、ワークを切断して投影機などを用いて測定することになるが、いずれもワークの曲がり（同軸度）などとの関連が判らず、画像上に影響している真の特性値を把握することができない。
(3)ワークの回転位相に対しての変動を測定することができないため、形状精度を「振れ」でしか表すことができず、真円度、同軸度といった要素に分解していないため、画像上のピッチムラなどに形状精度のどの要素が影響しているのかが判らない。本方式で外振れ、真直度、外径を測定することは可能であるが、ワーク受け部で滑りが発生するため、ワーク胴部の円周上の任意角度位置における中心との相対変位は測定できない。したがって、この方式を用いてワークを選別した場合、本来は良品（画像上への影響度少ない）であるワークを不良品判定してしまって、ワークの生産性を低下することになる。

一方、３次元測定機なるものも公知である。このような３次元測定機は、ワークをおいて、プローブを外周に当てていく測定方法をとっているので、特許文献１に開示された方式のような問題を引き起こさないが、非常に高価な測定機であることに加えて、測定に非常に時間がかかるという問題がある。そして３次元測定機では特殊なプローブを開発しなければならず、０．１°レベルでの測定は困難である。

本発明は、上記のような問題点に鑑み、比較的簡単な構成においてローラ体の胴部の外周形状と表面形状の両方を同時に計測し演算処理を活用することにより、例えば画像形成装置における形成画像に影響する特性値を容易に評価可能とすることを課題とする。

上記課題は、本発明によれば、被測定対象たるローラ体を保持して軸回りに回転させるための機構と、被測定部の外周形状を連続検出する機構と、検出された外周形状を電気的変動に変換し当該電気的変動をデジタル化しデジタル化した信号を演算処理する機構を有するような、ローラ体形状測定装置によって解決される。

ローラ体の回転位相を検出する機構を更に有することが、より目的に適っている。被測定部の外周形状を連続検出する機構が、反射型非接触機構であれば、好適である。被測定対象たるローラ体を軸回りに回転させ、当該ローラ体の被測定部の外周形状を連続計測し、得られた形状プロファイルの異常値を除去処理した後に円周振れ値を算出することも、上記課題の解決となる。あるいは被測定対象たる外周に複数の凹部を有したローラ体を軸回りに回転させ、当該ローラ体の被測定部の外周形状を連続計測し、得られた形状プロファイルから外周凹部の量を演算処理して凹量の変動値を算出することも合目的である。被測定対象たる外周に複数の凹部を有したローラ体を軸回りに回転させ、当該ローラ体の被測定部の外周形状を連続計測し、得られた形状プロファイルから外周凹部の量を演算処理して凹凸を含むギャップ変動量（凹部凸部を含めた移動平均値）を算出するのが、好都合である。

本発明に係る測定装置においては、形状データとして円周振れの量のみでなく、周形状のプロファイルの測定が可能になり、演算処理によりノイズ除去が可能で、測定精度を向上させることができる。ローラ体の回転位相を検出する機構を有すれば、回転位相と同期させて形状測定を行うことができるので、回転角度に対する形状プロファイルの取り込みが可能であり、演算処理によってローラ体の同軸度、真円度などの幾何学的公差を算出することができる。反射型非接触機構によれば、外周に凹凸があるローラ体であっても、凹凸を含めた形状プロファイルを正確に測定することができる。

本発明に係る測定方法によれば、測定異常値（ノイズ）を排除することで、ローラ体の形状プロファイルを精度良く計測することができる。外周凹部の量を演算処理して凹量の変動値を算出すれば、ローラ体に溝や窪みを有していても形状プロファイルを計測でき、画像形成装置に用いる現像スリーブ等を測定できる。更に、計測された形状プロファイルから外周凹部の量を演算処理して凹凸を含むギャップ変動量（凹部凸部を含めた移動平均値）を算出することで、画像形成装置に用いる現像スリーブの実質的なギャップ変動の測定が可能である。

材料を押し出してローラ体を形成する工程、上記ローラ体の両端にフランジを嵌合する工程、上記した形状測定方法を用いてローラ体の形状特性を測定してローラ体の選別を行う工程を備えて構成されたローラ体の製法によれば、画像形成装置で画像確認を行わなくてもムラの無い画像を得ることができる現像ローラを選別でき、現像ローラ及び画像形成装置の生産性を向上させることができる。

本発明に係るローラ体形状測定装置の概略構成を図４に示す。水平に設置されたローラ体１０をその両端ジャーナル部で支持する受け部１５（ベアリング組み合わせ）を、不図示のモータにより回転することで、ローラ体１０は連れ回り回転する。ローラ体の回転位相（角度）を把握するためには、測定装置における回転部位（受け部）とローラ体の間でスリップを防ぐ必要があり、図５に示すように、基準となる受け部１５’と回転力を与える部材１６を別にして、回転力を与える部材１６の表面はゴムで覆うなど、摩擦力が大きくなるようにすることが好適である。あるいは受け部を三つ爪エアーチャックにより構成することも好ましい。また回転部材である受け部は回転時の振れが測定精度に影響を与えるため、十分に小さな振れになるように構成しておく必要がある。

ローラ体１０の胴部を測定する変位センサ１７はローラ体中心に向いて配置され、ローラ体１０の回転と同期して一定時間毎にデータ取り込みを行う。ローラ体１０の回転は、回転角度検出装置１８によって、その回転角度データを測定される。変位センサ１７は接触式の変位センサであることも可能であるが、回転時の運動によって生じ得る測定誤差を排除するため、非接触の透過型変位センサを用いるのが有効である。反射型のセンサはレーザ光など直進性の高い光線をローラ体に照射しその反射光の帰ってくる角度やタイミングを測定することにより検知センサとローラ体間の距離を計測するものである。この場合、ローラ体表面の凹凸に対し十分に小さいスポット径の光源を選ぶことによりローラ体表面の凹凸量の計測が可能になる。近年の非接触変位計にはスポット径が１〜２μｍ程度のセンサがあり、溝スリーブなど表面の凹凸量が５０〜１００μのローラ体表面を計測するには十分に小さく、高精度で測定することが可能である。データの取り込み時間は対象ローラ体の表面形状によって異なるが、溝形状を測定する場合は溝幅を最低２０ポイント程度測定することが好ましい。また上記検知センサ１７はローラ体１０の軸方向の任意位置へ変位可能であり、その移動は軸方向駆動・位置検知装置１９によって検知される。検出された変化量は電気変動に変換され、その電気変動をデジタル化して信号データとなる。各測定データは、それぞれデータ処理装置（ＰＣ）２１に取り込まれ、演算処理に付される。

測定されデジタル信号に変換される変位データは、ローラ体の回転位相と同期してデータ処理装置２１に取り込まれるが、この時に問題となるのが電気的及び機械的ノイズである。ノイズを除去するために測定機を防振台に設置するなどの手段をとる他、演算処理によってノイズ成分を除去することが効果的である。この場合の演算処理方法としては、取り込み信号の移動平均を計算して測定値とするやり方（図６ｂ）や、前後の測定値と比較しある一定以上の差があった場合にノイズとして処理するやり方（図６ｃ）などを取ることができる。このように取り込まれた信号は、図７に示すようなプロファイルとなる。

現像装置の場合、図１に示すような構成であるため、ローラ体である現像スリーブの外周が一周にわたり変動すると、現像剤規制手段３領域での現像剤量の変動と、感光体２当接部分での現像能力の変動が生じ、画像上のムラとなって現れることになる。同様に現像スリーブ表面に溝を有するものにおいて、溝の深さ・断面積が周期的に変動した場合でも同じ現象が生じる。したがって本例の測定装置を現像スリーブ用検査装置として用いる場合には、図７に示されたプロファイルを基に演算処理を行い、外周振れと同時に溝の凹量を算出することが必要である。

また実際には外周の振れと溝深さの振れの相対関係によって、画像上でムラの発生する場合（図８ａ）と発生しない場合（図８ｂ）が存在する。したがって、外周振れと溝深さ振れを別々に規格化した場合、画像上への影響が無いローラ体も不良品判定してしまうケースが発生するため、ローラの生産性を低下させることになる。そこで本測定装置を使用して画像との対応取りを行った結果、溝部の深さ偏差を含めた現像ギャップの変動が画像濃度に影響することが判明した（図９）。現像ギャップ内では現像ローラ上の現像剤が穂立ちと呼ばれる現象をもって感光体に当接しており、この範囲でのギャップ平均値の変動が小さいことが望ましい。具体的には現像ギャップの１０％以下の変動であると画像濃度のムラには殆ど影響しない（言い換えれば、ムラとして認識できない）ことが確認された。

なお、振れ測定対象たるローラ体としての現像スリーブは、公知のように製造される。先ず、アルミニウムを熱間で押し出し、円筒状に形成する。現像スリーブの材料は、アルミニウムの他に真鍮、ステンレス、導電性樹脂等が使用できるが、コストや精度の面からアルミニウムがよく使用されている。次に、スリーブ外周面に溝加工（場合によってはサンドブラスト加工等）を施す。溝は、次のようにして形成される。内周面に台形状、Ｖ字状、Ｕ字状等の凸部を形成したダイスの内周面から円筒状のアルミニウムを冷間で引き抜くことでスリーブの外周に軸方向に延びる溝が形成される。スリーブの溝は例えば深さ０．０２ｍｍ、本数は５０〜１００本程度とする。上記溝はアルミニウムの熱間押し出し成形時に形成することもできる。そして、スリーブ両端部にフランジを圧入したり、接着したりして固定することで、現像スリーブが形成される。

図４、５に示すローラ体形状測定装置を製作して、ローラ体１０を設置して、検知センサ１７、ローラ体回転角度検出装置１８、検知センサ軸方向位置検知装置１９を用いて所定のデータ取り込みを行う。

ローラ体１０としてはφ２５で外周に１００本の溝を有するスリーブを用い、０．０４°ピッチで測定を行った。測定して得られた生データは図７に示されている。更にこのデータをデータ処理装置２１で変換して溝部の山と谷に分けてグラフ化したものを図１０に示す。このうち溝の谷部の一周変動量が溝深さの一周偏差に相当する。上記データを基に山と谷を含む移動平均を算出しプロファイルを書き直したものを図１１に示す。この時、移動平均量は溝深さをキャンセルするように溝ピッチ間の計測値の平均値を測定値とした。

上記ローラ体において、プロファイル書き直し手順で偏差量が０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍのローラ体を選び、感光体との平均距離が０．３ｍｍとなるように電子写真装置に設置して画像の確認を行った。この結果、偏差量と画像ムラの間には図１２に示すような関係が見られた。この結果から感光体とのギャップ（０．３ｍｍ）の１０％である０．０３以下ではムラが許容範囲内であることが確認された。

比較例

ローラ体の変位測定手段に透過型のレーザ測長機を用い、受け部にはベアリングを用いてローラ体を保持してローラ体を回転させながら変位量の最大・最小値の差を振れとして出力させた。透過型の測長機であるため、溝形状の測定ができなかった。このような測定方法において、検知センサとして先端形状がφ１ｍｍの接触式のセンサを用い、同じく円周上の変位を読み込んだ。この場合、溝の有無の判定はできたが、溝の底部まで触針が届かないため、溝深さの測定はできなかった。

現像ローラのユニット構造を示す概略図である。 周面に溝を有する場合に溝深さにバラツキがある様子を示す図である。 従来公知のローラ体振れ測定装置の概念図である。 本発明に係るローラ体測定装置の概略図である。 図４のローラ体測定装置において、基準回転部材と回転力付与部材が別部材であることを説明する図である。 測定ノイズを除去する方法を説明する図である。 図４のローラ体測定装置を用いて、溝付きローラ体の回転位相と同期して外周形状の計測を行った場合の形状プロファイルを示すグラフである（生データ）。 外周の振れと溝深さの振れの相対関係によって画像上でムラの発生する場合と発生しない場合が存在することを説明する図である。 溝を有したローラ体において溝部の深さ偏差を含めた現像ギャップの変動が画像濃度に影響することを説明する図である。 図７のデータを演算処理して溝部の山と谷に分けてグラフ化したものである。 山と谷を含む移動平均を算出しプロファイルを書き直したグラフである。 偏差量と画像ムラの関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ ローラ体
１５ 受け部
１６ 回転力付与部材
１７ 変位センサ
１８ 外径測定用センサ
１９ 回転角度検知装置
２０ 軸方向駆動・位置検知装置
２１ データ処理装置

Claims (7)

1. 被測定対象たるローラ体を保持して軸回りに回転させるための機構と、被測定部の外周形状を連続検出する機構と、検出された外周形状を電気的変動に変換し当該電気的変動をデジタル化しデジタル化した信号を演算処理する機構を有することを特徴とする、ローラ体の形状を測定する装置。
2. ローラ体の回転位相を検出する機構を更に有することを特徴とする請求項１に記載のローラ体形状測定装置。
3. 被測定部の外周形状を連続検出する機構が、反射型非接触機構であることを特徴とする請求項１又は２に記載のローラ体形状測定装置。
4. 被測定対象たるローラ体を軸回りに回転させ、当該ローラ体の被測定部の外周形状を連続計測し、得られた形状プロファイルの異常値を除去処理した後に円周振れ値を算出することを特徴とする形状測定方法。
5. 被測定対象たる外周に複数の凹部を有したローラ体を軸回りに回転させ、当該ローラ体の被測定部の外周形状を連続計測し、得られた形状プロファイルから外周凹部の量を演算処理して凹量の変動値を算出することを特徴とする形状測定方法。
6. 被測定対象たる外周に複数の凹部を有したローラ体を軸回りに回転させ、当該ローラ体の被測定部の外周形状を連続計測し、得られた形状プロファイルから外周凹部の量を演算処理して凹凸を含むギャップ変動量を算出することを特徴とする形状測定方法。
7. 材料を押し出してローラ体を形成する工程、上記ローラ体の両端にフランジを嵌合する工程、請求項４〜７のいずれか一項に記載された形状測定方法を用いてローラ体の形状特性を測定してローラ体の選別を行う工程を備えて成るローラ体の製造方法。

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