JP2006105375A - 導電性ローラおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度や剛性等のローラ性能に優れるとともに、軽量かつ低コストであって、画像形成装置における各種ローラ部材として好適に適用可能な導電性ローラおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ローラ本体１１と、ローラ本体１１の外周に担持された弾性層とを備える導電性ローラである。ローラ本体１１が、長手方向に結合された複数の部材１０からなる。部材１０は、主として樹脂材料と導電剤とからなることが好ましい。また、ローラ本体１１は、好適には、長手方向に嵌通する軸１３を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は導電性ローラおよびその製造方法（以下、単に「ローラ」および「製造方法」とも称する」に関し、詳しくは、複写機やプリンタ等の画像形成装置において各種ローラ部材として用いられる導電性ローラ、およびその製造方法に関する。

複写機やプリンタ等の電子写真方式を用いた画像形成装置においては、画像形成の各工程で、転写ローラ、現像ローラ、トナー供給ローラ、帯電ローラ、クリーニングローラ、中間転写ローラ、ベルト駆動ローラ等の、導電性を付与した導電性ローラが用いられている。

かかる導電性ローラとしては、一般に、（１）金属軸３１と金属パイプ３２とを組み合せてその外周に弾性層３３を設けたもの（図７（ａ））、（２）金属軸３１の外周に弾性層３４を成形したもの（この場合、弾性層表面の切削、研磨が必要となる）（図７（ｂ））、（３）導電性樹脂の一体成形品からなるローラ本体３５の外周に弾性層３６を設けたもの（図７（ｃ））などが知られている（例えば、特許文献１に記載）。また、ローラ部材に係る改良技術としては、別分野で用途は異なるが、金属板により形成した円筒体を複数つなげて溶接しロールとしたものや（特許文献２）、複数の円筒部材に分割した弾性体により成る外周面部材が設けられたバックアップローラ（特許文献３）なども公知である。
特開２００４−１５０６１０号公報 特公平７−５４１９８号公報 特許第２５５９１５２号公報

しかしながら、上記（１）金属軸と金属パイプとを組み合せた導電性ローラは、ベースとなるローラ本体が金属製であるために、精度や剛性に関して低価格機（装置）に使用するには過剰品質となり、コスト高となる難点があった。また、重量が嵩むため、駆動系に高負荷がかかり、周辺機器を大きくせざるを得ないため、省エネ化、ダウンサイズ化を妨げる要因ともなっていた。

また、上記（２）金属軸の外周に弾性層を成形したローラは、金属パイプを用いたものより軽量ではあるが、弾性体の成形および成形後処理に複雑かつ多くの工程を要することから、生産性の低下が生じ、やはりコスト高となっていた。さらに、上記（３）導電樹脂の一体成形品を用いたローラは、上記（１）、（２）のローラよりも軽量かつ安価であるが、装置搭載時に高加重が加えられると、剛性が不足する場合があった。

さらにまた、上記特許文献２に記載の技術は、上記（１）のローラと比較しても重量が重く、精度が悪く、高価格となると考えられ、上記特許文献３に記載の技術は、ローラに荷重が加えられた際に分割部に隙間が生じるため問題であるなど、いずれも不十分な点を有するものであった。

そこで本発明の目的は、精度や剛性等のローラ性能に優れるとともに、軽量かつ低コストであって、画像形成装置における各種ローラ部材として好適に適用可能な導電性ローラおよびその製造方法を提供することにある。

本発明者は鋭意検討した結果、ローラ本体を、所定の部材が複数組み合わされてなる構成とすることで、上記問題を解消できることを見出して、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の導電性ローラは、ローラ本体と、該ローラ本体の外周に担持された弾性層とを備える導電性ローラにおいて、前記ローラ本体が、長手方向に結合された複数の部材からなることを特徴とするものである。

本発明においては、前記部材が、主として樹脂材料と導電剤とからなることが好ましい。また、本発明の導電性ローラは、好適には、前記ローラ本体を長手方向に嵌通する軸を備える。さらに、前記ローラ本体は、長手方向両端部から中央部に向かい径大となるクラウン形状を有するものとすることができ、その長手方向端部にギヤ部または軸部を備えていてもよい。さらにまた、前記複数の部材は、端部同士の嵌合により結合されてなるものとすることが好ましく、前記ローラ本体と軸との間に、結合手段が設けられていることも好ましい。

また、本発明の導電性ローラの製造方法は、上記導電性ローラの製造方法であって、前記複数の部材を長手方向に結合して前記ローラ本体を形成した後、形成された該ローラ本体の外周に弾性層を設けることを特徴とするものである。

本発明の導電性ローラによれば、ローラ本体を複数の部材の結合からなるものとしたことで、その材質によらず、精度や剛性等のローラ性能を良好に確保することが可能となった。特に、ローラ本体の材質として樹脂材料を用いれば、ローラの軽量化および低コスト化をも図ることができ、より大きなメリットを得ることができる。また、本発明の製造方法によれば、ローラ本体の表面形状によらず、所望の表面物性を備えるローラの製造を容易に行うことが可能である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１に、本発明の一実施の形態に係る導電性ローラの斜視図を示す。図示するように、本発明の導電性ローラは、ローラ本体１１と、その外周に担持された弾性層１２とを備えている。本発明においては、ローラ本体１１が、長手方向に結合された複数の部材からなる点に特徴を有する。

図２に、弾性層１２を形成する前の導電性ローラ（図１参照）の構成を示す。図示するローラ本体１１は、８個の部材１０が長手方向に結合されてなる。ローラ本体１１を複数の部材１０からなるものとし、いわば長手方向に分割したことで、従来の金属パイプや樹脂一体成形品の場合に比し部材の長手方向の長さが短くなるため、加工の精度を向上することができるとともに、個々の部材の加工が容易になり、これにより生産性の向上にも寄与することができる。

本発明の導電性ローラは、図示するように、ローラ本体１１を長手方向に嵌通する軸１３を備えることが好ましい。ローラ本体１１、即ち、導電性ローラを長手方向に嵌通する軸１３を備えるものとすることで、ローラの剛性を向上して、曲げに対する強度を高めることができる。

部材同士の結合手段としては、特に制限されるものではないが、例えば、図３に示すような構造の部材２０を用いて、その端部同士の嵌合により結合可能とすることができる。図示する部材２０は、一方の端部２１Ａ側に凸部２２および回転止めピン２３を有し（図中の（ａ））、他方の端部２１Ｂ側に凹部２５および回転止め穴２６を有している（図中の（ｂ））。図中の（ｃ）は部材２０の断面図である。このような構造を有する部材２０同士を、端部２１Ａと端部２１Ｂとを対向させた状態で回転させながら嵌め合わせることで、凸部２２が凹部２５と、回転止めピン２３が回転止め穴２６と夫々嵌合して、互いに強固に結合することが可能となる。ローラは回転させて使用するものであるため、部材間の結合手段は、回転防止機構を備えていることが好適である。なお、図示する部材２０においては、凸部２２および凹部２５において、芯出し用のテーパ加工が施されている。

本発明においては、ローラ本体自体の形状については特に制限されるものではなく、適宜所望の形状とすることができる。例えば、長手方向端部に当たる部材にギヤ部（図７（ｃ）参照）やＤカット形状等の適宜形状の軸部などを形成しておくか、または、ギヤ部のみの部材をローラ本体形成後の端部に接合することで、ローラ本体１１の長手方向端部に所望に応じこれら機能部品の形状を持たせることができる。これにより、軸を別途使用し、または、軸に複雑な加工をする必要がなくなり、また、機能部品の芯出しを行うことが容易となるメリットも得られる。

また、ローラ本体の外形は、図２等に示す円柱形状には限られず、図４に示すような、長手方向両端部から中央部に向かい径大となるクラウン形状を有するものとすることもできる。従来のような金属パイプや樹脂一体成形品の場合、ローラ本体の外形はストレートな円柱形状とすることが一般的であり、中央部が両端部よりも径大であるクラウン形状などの対応は困難で、高額な金型製作による成形や、弾性層の研磨、塗工（ディップ等）等が必要であった。本発明においては、ローラ本体を長手方向に分割することにより、個々の部材の加工難易度を低くしているため、クラウン形状などにも容易に対応が可能となり、また、加工精度も良好に確保することが可能となる。なお、本発明において、ローラ本体を形成する部材の個数には特に制限はなく、強度やコスト性の観点から適宜定めればよい。

本発明におけるローラ本体１１、即ち、部材の材質としては、特に制限されるものではなく、従来ローラ材料として用いられている各種金属材料や樹脂材料を適宜用いることができるが、好ましくは、樹脂材料を用いる。樹脂材料はコスト的に安価で軽量であり、また、形状の自由度が高いため、ローラ本体１１の材質として樹脂材料を用いたことで、前述したように優れたローラ性能を確保することができるとともに、ローラの軽量化および低コスト化をも図ることが可能となる。

樹脂材料としては、適度の強度を有するとともに、射出成型等により成形可能なものであればよく、汎用樹脂やエンジニアリングプラスチックの中から適宜選定することができ、特に制限されるものではない。具体的には例えば、エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリアセタール、ポリアミド樹脂（例えば、ポリアミド６、ポリアミド６・６、ポリアミド１２、ポリアミド４・６、ポリアミド６・１０、ポリアミド６・１２、ポリアミド１１、ポリアミドＭＸＤ６（メタキシレンジアミンとアジピン酸とから得られるポリアミド）等）、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレンなどを挙げることができる。また、汎用樹脂としては、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリスチレン、ポリエチレンなどが挙げられる。その他、メラミン樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等を用いることもできる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

上記の中でも、特にエンジニアリングプラスチックが好ましく、さらに、ポリアセタール、ポリアミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネートなどが、熱可塑性で成形性に優れ、かつ、機械的強度に優れる点より、好ましい。特に、ポリアミド６・６、ポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド６・１２、あるいはこれらの混合樹脂が好適である。なお、熱硬化性樹脂を用いることに差し支えはないが、リサイクル性を考慮すれば熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。

また、樹脂材料中には、導電剤を添加して導電性を調整する。かかる導電剤としては、樹脂材料中に均一に分散することができるものであれば各種のものを使用することが可能であるが、カーボンブラック粉末、グラファイト粉末、カーボンファイバーやアルミニウム、銅、ニッケルなどの金属粉末、酸化スズ、酸化チタン、酸化亜鉛などの金属酸化物粉末、導電性ガラス粉末などの粉末状導電剤が好ましく用いられる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。この導電剤の配合量は、目的とする導電性ローラの用途や状況に応じて適当な抵抗値が得られるように選定すればよく、特に制限されるものではないが、通常はローラ本体の材料全体に対して５〜４０重量％、特には、５〜２０重量％とすることが好ましい。

ローラ本体の体積抵抗率については、上述のようにローラの用途等に応じて適宜設定すればよいが、通常は１×１０⁰〜１×１０¹²Ω・ｃｍ、好ましくは１×１０²〜１×１０¹⁰Ω・ｃｍ、より好ましくは１×１０⁵〜１×１０¹⁰Ω・ｃｍとする。

樹脂材料中には、必要に応じ補強や増量等を目的として各種導電性または非導電性の繊維状物やウィスカー、フェライトなどを配合することができる。繊維状物としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維などの繊維を挙げることができ、また、ウィスカーとしては、チタン酸カリウムなどの無機ウィスカーを挙げることができる。これらは一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの配合量は、用いる繊維状物やウィスカーの長さおよび径、主体となる樹脂材料の種類や目的とするローラ強度等に応じて適宜選定することができるが、通常は材料全体の５〜７０重量％、特には１０〜２０重量％である。

また、弾性層１２の材料としては、エラストマー単体かまたはそれを発泡させたフォーム体に導電剤を添加して導電性を付与した弾性体を用いることができる。ここで使用し得るエラストマーには、特に制限はなく、ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エピクロルヒドリンゴム等が例示され、これらを単独であるいは２種以上組み合わせて用いることができる。本発明においては、これらのうち、エチレン−プロピレンゴム、ブタジエンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムが好ましく用いられ、また、これらと他のゴム材料との混合物も好適である。特に、本発明においては、ウレタン結合を有する樹脂が好ましく用いられる。

また、これらエラストマーを、発泡剤を用いて化学的に発泡させるか、または、ポリウレタンフォームのように空気を機械的に巻き込んで発泡させたフォーム体としても用いることができる。本発明においては、ローラ本体１１と弾性層１２との一体化を行う成形工程で、いわゆるＲＩＭ成形法、即ち、弾性層１２の原料成分を構成する２種のモノマー成分を筒状型内に混合射出して、重合反応させることにより、ローラ本体１１と弾性層１２とを一体化する手法を用いてもよい。これにより、原料の注入から脱型までの所要時間６０秒程度で弾性層１２の成形工程を行うことができるので、生産コストを大幅に削減することが可能となる。

弾性層１２に添加する導電剤としては、ローラ本体１１に関して挙げた導電剤と同じものを用いることができる。

弾性層１２の体積抵抗率は、ローラの用途に応じて適宜設定すればよく、特に制限されるものではないが、例えば、現像ローラとして用いる場合には、体積抵抗率１×１０³〜１×１０¹⁰Ω・ｃｍ、好ましくは１×１０⁴〜１×１０⁸Ω・ｃｍ程度となるように調整する。抵抗値が１０³Ωｃｍ未満であると電荷が潜像保持体等にリークしたり、電圧によりローラ自体が破壊したりする場合があり、一方、１０¹⁰Ωｃｍを超えると十分な現像バイアスを稼ぐことができず、地かぶりが発生しやすくなる。

軸１３としては、例えば、硫黄快削鋼やアルミニウム、ステンレス鋼等に、ニッケル、亜鉛めっき等を施したものを用いることができる。

ローラ本体１１と軸１３との間の結合は、通常、慣用の接着剤等により行えばよく、特に制限されないが、例えば、ローラ本体１１を樹脂材料により形成した場合には、ローラ本体１１をオーブン等で加熱した状態で軸１３を通し、その後冷却することにより、ローラ本体１１の樹脂材料を収縮させて軸１３に対し固定する方法を用いることもできる。 また、ローラ本体１１との結合手段として、軸１３に溝やＤカット等を設けることも好ましい（図示せず）。この場合の結合手段も、前述した部材の場合と同様に回転防止機構を備えていることが好ましく、これにより使用時における軸１３の空転を防止することができる。

本発明の導電性ローラは、複数の部材を長手方向に結合してローラ本体１１を形成した後、その外周に弾性層を設けることにより製造することができる。ここで、本発明に係る部材によりローラ本体１１を形成する手順としては、特に制限されるものではないが、例えば、図３に示すような嵌合構造を有する部材の場合には、部材同士を直接結合してローラ本体１１とすることもでき、また、嵌合構造を有しない場合には、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、軸１３を個々の部材１０に順次挿通した後、接着剤等により互いに固定してローラ形状とする方法を用いてもよい。

本発明のローラにおいては、ローラ本体１１上に設ける弾性層１２により、ローラの表面粗さや硬度、導電性等を適宜調整することができる。また、ローラ外形についても弾性層１３により調整可能であるので、本発明に係る部材間の繋ぎ目は、必ずしも平滑でなくてもよく、即ち、繋ぎ目においてある程度の段差が生じていてもよい。ある程度の段差は、その上に弾性層１３を設けることで、吸収することが可能である。また、弾性層表面を切削、研磨等により加工することで、用途により求められる表面精度を出すこともでき、逆に、弾性層表面を粗く形成して、駆動、従動ローラ等として用いることも可能である。従って、本発明の導電性ローラは、画像形成装置において使用されるいかなるローラ部材としても使用可能であり、適用範囲が広いものである。

以下、本発明を、実施例を用いてより詳細に説明する。
まず、ローラ本体１１と、その外周に担持された弾性層１２と、ローラ本体１１を長手方向に嵌通する軸１３とにより形成した本発明の導電性ローラを、前述した従来のローラ３種（（１）金属軸３１＋金属パイプ３２＋弾性層３３（図７（ａ））、（２）金属軸３１＋弾性層３４（図７（ｂ））、（３）樹脂一体成形品３５＋弾性層３６（図７（ｃ）））と、軽量性、形状自由度、剛性、コスト性および生産性について夫々比較評価した結果を、下記の表１中に示す。

上記表１中に示すように、（１）のローラは高性能・高価格機に適しており、（３）のローラは低価格・ローエンド機向けと考えられるのに対し、本発明のローラは、ミッドレンジ機に適しているものと考えられる。

次に、実施例および従来例１、２の導電性ローラを以下のようにして夫々試作した。
（実施例）
外径：φ２０、軸挿通穴２７の径：φ８、円筒部長さ：２５ｍｍ、外径円筒度：０．０１ｍｍ以下、外径−芯出し用テーパー軸挿通穴（凹部２５）の同心度：０．００５ｍｍ以下の条件で、ナイロン樹脂を用いて、図３に示す部材２０を作製した。金属軸１３として、外径φ８、長さ２８０ｍｍ、材質ＳＵＭ２３相当のものを用いて、部材２０を１０個並べて挿通させ、部材２０間および部材２０と金属軸１３との間を夫々接着材にて固定して、実施例のローラとした。

（従来例１）
金属軸３７（外径：φ８、長さ：２８０ｍｍ、材質：ＳＵＭ２３相当）と、金属パイプ３８（三ツ矢パイプ（株）製、肉厚：１．５ｍｍ、外径：φ２０、長さ：２５０ｍｍ、材質：ＳＵＭ２３相当）とを組み合わせて、図６（ａ）に示す従来例１のローラを作製した。

（従来例２）
図６（ｂ）に示す形状の一体成形による樹脂製パイプ３９（平均肉厚１．５ｍｍ、外径：φ２０、長さ：２５０ｍｍ、軸部の外径：φ８、材質：ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ））を作製して、従来例２のローラとした。

上記各ローラにつき、両端を固定して２９．４Ｎ（３ｋｇｆ）の荷重をかけた際の撓み量を荷重撓み量として評価した。評価結果を、各ローラの重量とともに下記の表２中に示す。

上記表２中に示すように、従来例１のローラは金属性であるため性能は高いが重量が重く、一方、従来例２のローラは樹脂製であるため性能は低いが、重量が軽い。これに対し実施例のローラは、金属製と樹脂製の中間の性能および重量を有し、バランスの取れた結果が得られていることがわかる。

本発明の一実施の形態に係る導電性ローラの斜視図である。 図１の導電性ローラの弾性層形成前の状態を示す斜視図である。 本発明に係る部材の拡大斜視図（ａ）、（ｂ）、および断面図（ｃ）である。 本発明の他の実施の形態に係る導電性ローラの斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の導電性ローラの製造工程の一部を示す説明図である。 （ａ）従来例１、（ｂ）従来例２の導電性ローラの部分斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来例の導電性ローラの部分斜視図である。

符号の説明

１０、２０ 部材
１１ ローラ本体
１２ 弾性層
１３ 軸
２１Ａ、２１Ｂ 端部
２２ 凸部
２３ 回転止めピン
２５ 凹部
２６ 回転止め穴

Claims (8)

1. ローラ本体と、該ローラ本体の外周に担持された弾性層とを備える導電性ローラにおいて、前記ローラ本体が、長手方向に結合された複数の部材からなることを特徴とする導電性ローラ。
2. 前記部材が、主として樹脂材料と導電剤とからなる請求項１記載の導電性ローラ。
3. 前記ローラ本体を長手方向に嵌通する軸を備える請求項１または２記載の導電性ローラ。
4. 前記ローラ本体が、長手方向両端部から中央部に向かい径大となるクラウン形状を有する請求項１〜３のうちいずれか一項記載の導電性ローラ。
5. 前記ローラ本体が、長手方向端部にギヤ部または軸部を備える請求項１〜４のうちいずれか一項記載の記載の導電性ローラ。
6. 前記複数の部材が、端部同士の嵌合により結合されてなる請求項１〜５のうちいずれか一項記載の記載の導電性ローラ。
7. 前記ローラ本体と軸との間に、結合手段が設けられている請求項２〜６のうちいずれか一項記載の記載の導電性ローラ。
8. 請求項１〜７のうちいずれか一項記載の導電性ローラの製造方法であって、前記複数の部材を長手方向に結合して前記ローラ本体を形成した後、形成された該ローラ本体の外周に弾性層を設けることを特徴とする導電性ローラの製造方法。

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