JP2006113115A

JP2006113115A - 弾性部材の表面処理方法

Info

Publication number: JP2006113115A
Application number: JP2004297587A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Suzuki; 敏郎鈴木; Atsushi Murata; 淳村田; Hisao Kato; 久雄加藤; Toshinari Miura; 俊成三浦; Noriaki Kuroda; 紀明黒田; Takumi Furukawa; 匠古川; Michitaka Kitahara; 道隆北原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】本発明は、電子写真プロセスを利用した画像形成装置に用いる弾性部材の表面の動摩擦係数を下げて且つ弾性部材の表面の水に対する接触角の低下を抑える事ができる弾性部材の表面処理方法を提供する。
【解決手段】電子写真プロセスを利用した画像形成装置に用いる弾性部材の表面に対して波長２００〜３５０nmの強度が全波長強度の６０％以上で、且つ波長２００nm以下の強度が全波長強度の１％以下で紫外線を照射する事により、弾性部材の表面の動摩擦係数を下げて且つ弾性部材の表面の水に対する接触角の低下を抑える事が可能である弾性部材の表面処理方法を提供する事である。
【選択図】図１

Description

本発明は、LBP（Laser Beam Printer）、複写機及びファクシミリ等のOA機器において、電子写真プロセスを利用した画像形成装置に用いる帯電ローラ等の弾性部材の表面処理方法に関するものである。

近年の画像形成装置は高速化、高耐久化に伴い、画像形成装置に使用される弾性部材等の部品も、高精度、高耐久化が要求されてきている。

画像形成装置に使用される帯電ローラは帯電部材のうち最も一般的なものであり、感光体ドラムに接触して帯電処理を行うものである。帯電ローラに関して、画像形成装置に帯電ローラを用いてハーフトーン画像による画像耐久試験を行った場合、画像耐久をしていくと共にトナー及びトナーに付着している外添剤等により帯電ローラ表面が汚れるという問題がある。その結果、帯電ローラ表面のひどく汚れた部分を起点に白スジといった画像不良が生じる。これは帯電ローラ表面が汚れる事により感光体ドラムに均一な帯電処理ができなくなるからである。ローラ表面が汚れる原因の一つとして、感光体ドラムとローラ表面との動摩擦係数（摩擦抵抗）が大きい事が考えられる。動摩擦係数が大きい場合トナー及び外添剤に外力がかかりローラ表面に付着しやすくなるため、ローラ表面の動摩擦係数を下げる事は非常に重要である。更にローラ表面に水分が多いと付着しやすくなるため、ローラ表面の親水化を抑える（水に対する接触角の低下を抑える）事もローラ表面の汚れ防止に対して効果がある。

従来、ゴムローラに紫外線照射をしてゴムローラ表面の摩擦係数、粘着性を低減させる方法が検討されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。これらのいずれの場合も摩擦係数、粘着性の低減は可能であると考えられる。

しかし、前記いずれの場合もローラ表面の摩擦係数、粘着性の低減が目的で、ローラ表面の水に対する接触角に関する記載はされていない。例えば、帯電ローラに関してローラ表面が親水化してしまうとローラ表面がトナー及びトナーに付着している外添剤等により汚れてしまう事がある。従って、ローラ表面の水に対する接触角は重要なパラメータであり、接触角を下げない事が重要になる。

ここで、ゴムローラに波長が１８４．９ｎｍの紫外線を照射した場合には酸素を吸収してオゾンを発生させるため、ローラ表面がオゾン処理されて極度に酸化される可能性がある（例えば、特許文献３参照）。その結果、水に対する接触角が低下してしまう。又、照射する紫外線の波長が３５０ｎｍ以上の場合（例えば、波長３６５ｎｍ）にはゴムローラへの熱の影響が大きくなりゴムが劣化する可能性がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これを防ぐために、照射装置に冷却機構等が設けられるが装置が大型化してしまう。更に、比較的波長の長い紫外線（例えば、波長３６５ｎｍ）のため紫外線の効率が悪くなり照射時間が長くなる等の弊害がある。

又、ゴムローラ表面に対して紫外線の特定の波長を照射する表面処理方法に関して具体的に記載がされているものはない。
特開平８−２９２６４０号公報特開平１１−１４９２０１号公報特開２００３−３４５０８８号公報

前記で述べたように、画像形成装置に使用される帯電ローラに関して画像耐久試験を行った場合、画像耐久をしていくと共にトナー及びトナーに付着している外添剤等により帯電ローラ表面が汚れるという問題に対して、ゴムローラの動摩擦係数の低減とローラ表面の親水化を抑える（水に対する接触角の低下を抑える）事は非常に重要である。

従って、本発明は前記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子写真プロセスを利用した画像形成装置に用いるゴムローラの表面に対して特定の波長の紫外線を照射する事により、ゴムローラ表面の動摩擦係数を下げて且つゴムローラ表面の水に対する接触角の低下を抑える事が可能である表面処理方法を提供する事である。

前記の課題・目的は以下に示す本発明によって解決・達成される。すなわち本発明は、ゴムローラの表面に対して波長２００〜３５０nmの強度が全波長強度の６０％以上で、且つ波長２００nm以下の強度が全波長強度の１％以下で紫外線を照射する事を特徴とするゴムローラの表面処理方法を提案するものである。
これにより、ゴムローラ表面の動摩擦係数を下げて且つゴムローラ表面の水に対する接触角の低下を抑える事が可能である。

本発明は、電子写真プロセスを利用した画像形成装置に用いるゴムローラの表面に対して波長２００〜３５０nmの強度が全波長強度の６０％以上で、且つ波長２００nm以下の強度が全波長強度の１％以下で紫外線を照射する事によりゴムローラ表面の動摩擦係数を下げて且つゴムローラ表面の水に対する接触角の低下を抑える事が可能である。

ここで、ゴムローラの摩擦係数、粘着性の低減の目的で、ゴムローラに紫外線を照射する場合があるが、低波長の紫外線の場合、ローラ表面が酸化されて水に対する接触角が低下してしまう。特に、波長２００ｎｍ以下の場合は顕著である。

本発明の表面処理方法により得られた弾性部材を帯電ローラに使用した場合、感光体ドラムと帯電ローラ表面との動摩擦係数を下げて且つ帯電ローラ表面の水に対する接触角の低下を抑える事が可能である。これにより帯電ローラ表面のトナー及びトナーに付着している外添剤等の汚れを抑える事が可能となり、耐久画像も良好で製品としての品質を高める事ができた。更に、オゾンを発生させずに比較的低い温度で熱を受ける事がなく表面処理する事が可能である。

以下、本発明をゴムローラの例で更に詳細に説明する。

まず、芯金上にゴム層が設けられたゴムローラの成形方法としては、円筒金型に同心に軸状の芯金を保持する２つの円筒駒を組み、ゴム材料を注入後加熱することにより材料を硬化させてゴムローラを成形する射出成形、ゴム材料をチューブ状に押出した後、芯金にチューブ状のゴム材料を被せる、或いは芯金とゴム材料を一体に押出して円筒状のゴムローラを成形する押出成形、トランスファー成形、プレス成形等があるが、特に限定されるものではない。製造時間の短縮を考えるとゴム材料を芯金と一体に押出してゴムローラを成形する押出成形が好ましい。

ゴムローラの加熱方法に関しては、加熱状態の円筒状または平面状の部材に回転させながら押し当てても良く、更にこれと共に熱風炉、加硫缶、熱盤、遠・近赤外線、誘導加熱等のいずれの方法を併用しても良く、１４０℃以上２２０℃以下の範囲の温度で１０分以上１２０分以下の時間で加熱する事が好ましい。

又、加熱後に所望のローラ形状、ローラ表面粗さにするために回転砥石を用いた乾式研磨をする場合もある。

ここで、図１には押出機の模式図を示す。押出機１はクロスヘッド２を備える。クロスヘッドは芯金送りローラ３によって送られた芯金４を後ろから挿入でき、芯金と同時に円筒状のゴム材料を一体に押出す事ができる。ゴム材料を芯金の周囲に円筒状に成形した後に、端部を切断・除去処理５を行い、ゴムローラ６とした。

前記のゴムローラの芯金として使用する材質は、ニッケルメッキやクロムメッキしたSUM材等の鋼材を含むステンレススチール棒、リン青銅棒、アルミニウム棒、耐熱樹脂棒が好ましい。又、芯金上に設けられたゴム層は導電性の弾性層であり、ポリマーとしては、天然ゴム、ブタジエンゴム、ヒドリンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッソゴム、塩素ゴム、熱可塑エラストマー等のいずれでも良く、ポリマー中に分散させる導電粉としてはカーボンブラック、導電性カーボン等のカーボン類、及び金属粉、導電性の繊維、或いは酸化スズ等の半導電性金属酸化物粉体、更にこれらの混合物等のいずれでも良い。

次にゴムローラ表面への紫外線照射について説明する。

ゴムローラは一定の回転数で回転させて紫外線を照射させる。ここで、図２には紫外線照射処理装置の模式図を示す。ゴムローラ６はローラ回転部材７によって一定の回転数で回転させられ紫外線照射口８より照射される紫外線によって表面処理される。紫外線の照射には高出力低圧水銀ランプ、無電極低圧水銀ランプが用いられる。このランプの材質は、酸化チタンまたはシリカ含有の石英ガラス、内外面に酸化チタン膜またはシリカ膜が形成されている石英ガラス、若しくはその両方がなされた石英ガラスが用いられる。これにより２００ｎｍ以下の波長はカットされる。また、これらのランプを用いる事により２５４ｎｍの波長を代表とする紫外線の強度が全波長強度の６０％以上を満たす。ここで用いられる紫外線ランプ（低圧水銀オゾンレスランプ）の分光分布を図３に示す。尚、紫外線の積算光量は、下記で定義される。

紫外線積算光量（ｍＪ／ｃｍ^２）＝紫外線強度（ｍＷ／ｃｍ^２）×照射時間（ｓｅｃ）
紫外線の積算光量については、表面処理の効果に応じて適宜選択すれば良い。その調節は、照射時間、ランプ出力、ランプとローラとの距離のいずれでも行う事が可能であり、所望の積算光量が得られるように決めればよい。又、照射時間内で積算光量に勾配をつけても良い。

ここで、紫外線の照射には上記以外に例えばエキシマランプ、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプが用いられる。このうち、エキシマランプは１７２ｎｍの短い波長にピークがありその他のピークを有さない。エキシマランプの分光分布を図４に示す。一般的に、有機高分子体は波長２００ｎｍ以下の紫外線が照射される事で酸化される。エキシマランプの場合、１７２ｎｍの波長の紫外線が酸素を吸収してオゾンを発生させるため、ローラ表面がオゾン処理されて極度に酸化される。その結果、ローラ表面の水に対する接触角が低下してしまう。また、高圧水銀ランプやメタルハライドランプは、３６５ｎｍの波長を代表とする比較的波長の長い紫外線である。高圧水銀ランプの分光分布を図５に示す。高圧水銀ランプやメタルハライドランプを用いた場合、ローラへの熱の影響が大きくなりゴムが劣化する等の弊害がある。又、比較的波長の長い紫外線の場合、紫外線の効率が悪いため照射時間を長くする必要がある。

今回、２５４ｎｍの波長を代表とする紫外線に関しては、紫外線の積算光量をウシオ電機株式会社製のＵＩＴ−１５０−Ａ、ＵＶＤ−Ｓ２５４の紫外線積算光量計を用いて測定し、１７２ｎｍの波長を代表とする紫外線に関しては、紫外線の積算光量をウシオ電機株式会社製のＵＩＴ−１５０−Ａ、ＶＵＶ−Ｓ１７２の紫外線積算光量計を用いて測定し、更に３６５ｎｍの波長を代表とする紫外線に関しては、紫外線の積算光量をウシオ電機株式会社製のＵＩＴ−１５０−Ａ、ＶＵＶ−Ｓ３６５の紫外線積算光量計を用いて測定した。

更に高機能化のために、ゴムローラ成形後、紫外線照射前にゴムローラ表面に表面処理剤を含浸・浸透させて、その後紫外線照射を行っても良い。表面処理剤としては、シリコーン系、フッ素系、ウレタン系、アクリル系、ウレタン変性アクリル系、シリコーン変性ウレタン系が用いられる。表面処理剤を含浸・浸透させる方法としては、円筒状のリングヘッドを用いたリング塗布方法、浸漬方法、スプレー塗布方法等のいずれの方法でも良い。

本発明の実施の形態であるゴムローラの表面処理方法により得られたゴムローラは、LBP（Laser Beam Printer）、複写機及びファクシミリ等の画像形成装置に用いる帯電ローラとして用いられるが、その使用形態を図６に示した。画像形成装置は、回転ドラム型・転写方式の電子写真装置であって、９は像担持体としての電子写真感光体（感光ドラム）であり、時計方向に所定の周速度（プロセススピード）をもって回転駆動される。感光ドラムは、その回転過程で帯電手段としての電源Ｅ１から帯電バイアスを印加した帯電ローラ１０により周面が所定の極性・電位（本実施例では−６００Ｖ）に一様帯電処理され、次いで露光系１１により目的の画像情報に対応したネガ画像露光（原稿像のアナログ露光、デジタル走査露光）を受けて周面に目的画像情報の静電潜像が形成される。次いで、その静電潜像がマイナストナーによる反転現像方式のトナー現像ローラ１２によりトナー画像として現像される。そしてそのトナー画像が感光ドラムと転写手段としての転写ローラ１３との間の転写部に不図示の給紙手段から所定のタイミングで転写材が給送され、転写ローラに対して電源Ｅ２から約＋２〜３ＫＶの転写バイアスが印加され感光ドラム面の反転現像されたトナー像が転写材に対して順次転写されていく。トナー画像の転写を受けた転写材は、感光ドラム面から分離されて不図示の定着手段へ導入されて像定着処理を受ける。トナー画像転写後の感光ドラム面は、クリーニング手段１４で転写残りトナー等の付着汚染物の除去処理を受けて清浄面化されて繰り返して作像に供される。

以上説明したように、本発明の実施の形態であるゴムローラの表面処理方法によれば、ゴムローラの表面に対して波長２００〜３５０nmの強度が全波長強度の６０％以上で、且つ波長２００nm以下の強度が全波長強度の１％以下で紫外線を照射する事により、ゴムローラ表面の動摩擦係数を下げて且つゴムローラ表面の水に対する接触角の低下を抑える事が可能である。更に、オゾンを発生させずに比較的低い温度で熱を受ける事がなく表面処理する事が可能である。

又、本発明における動摩擦係数の測定は、一端がロードセル或いはテンションゲージに接続されるとともに他端に一定荷重Ｗが与えられたシート状体（例えば、ステンレス等の金属フィルムやＰＥＴ等のプラスチックフィルム）を、軸固定したローラの表面に所定の巻付け角度θ（実施例では９０°）で接触させておき、該ローラを矢印方向に一定速度で回転させることによりシート状体を該ローラ表面で摺動させるときの張力Ｔを検出するようにしたローラ摩擦係数測定機で評価した。このとき検出した張力Ｔを、次のオイラーの式に適用して動摩擦係数μを求めた。

μ＝（１／θ）・ｌｎ（Ｔ／Ｗ）
μ：動摩擦係数
θ：巻付け角（ラジアン）
Ｗ：荷重（ｇ）
Ｔ：張力（ｇ）
今回の動摩擦係数測定は、プラスチックフィルム（厚み２５μｍ、幅３０ｍｍ）を用い、総荷重Ｗは１００ｇ、ローラ回転数は１１５ｐｐｍの条件で測定を行った。

硬度の測定は、マイクロ硬度計ＭＤ−１型（ともに高分子計器株式会社製）を用いて行った。

接触角の測定は、協和科学（株）製表面張力計Ａ３型を用いて、液滴法にてローラ表面の水に対する接触角を測定した。

又、すべての測定は、２３．５℃／６０％の環境において行ったものである。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。

〈ゴムローラの作製〉
以下の原料をオープンロールで３０分間混練した。

・エピクロルヒドリンゴム１００質量部
（商品名「エピクロマーＣＧ１０２」：ダイソー（株）製）
・ＭＴカーボン５質量部
（商品名「ＨＴＣ＃２０」：新日化カーボン製）
・酸化亜鉛５質量部
・ステアリン酸１質量部
更に、加硫促進剤（ＤＭ：ジ-２-ベンゾチアゾリルジスルフィド）１質量部、加硫促進剤（ＴＳ：テトラメチルチウラムモノスルフィド）０．５質量部及び加硫剤としてイオウ１．２質量部を加えて、１５分間オープンロールで混練して未加硫ゴム組成物を作製した。次いで、外径φ６ｍｍ、長さ２５８ｍｍのステンレス棒の芯金を用意した。ここで、図１に模式的に示す押出機を用いて芯金とゴム材料とを一体に押出してゴムローラを成形した。その後１６０℃、２時間の加熱加硫を行い、更に回転砥石を用いた乾式研磨、端部の切断・除去処理により、厚み１．２５ｍｍ、長さ２３２ｍｍのゴムローラを得た（ゴムローラ外径φ８．５ｍｍ）。

〈表面処理方法〉
前記、ゴムローラを図２の模式的に示す紫外線照射処理装置を用いて、低圧水銀オゾンレスランプによる紫外線照射を１０分間行った。紫外線照射に関しては酸化チタン含有の石英ガラスを用いた低圧水銀オゾンレスランプ（ハリソン東芝ライティング製）であり、２５４ｎｍの波長を代表とする紫外線を照射する。また、２５４ｎｍの波長の紫外線強度が全波長強度の８３％であり、波長２００ｎｍ以下の強度の紫外線は照射されていない。この時の波長２５４ｎｍの紫外線積算光量は約４２００ｍＪ／ｃｍ^２であった（紫外線強度は１４ｍＷ／ｃｍ^２）。紫外線照射時のゴムローラの表面温度は４０℃程度であった。ゴムローラの動摩擦係数を測定した結果、０．２２であり、マイクロ硬度を測定した結果、５７．２ｋｇであり、更に水に対する接触角を測定した結果、１０３°であった。又、このゴムローラを図６に示す電子写真方式の画像形成装置に帯電ローラとして組込み、感光ドラムの両端に５００ｇづつの荷重を負荷した状態で圧接し、２３．５℃／６０％の環境でハーフトーン画像による連続６０００枚の耐久画像評価を行った。この評価において、本実施例のゴムローラ（帯電ローラ）はローラ表面上の汚れは若干確認されたものの汚れによる不良画像もなく、良好な画像を得ることができた。結果を表１に示す。

〈ゴムローラの作製〉
前記の実施例１と同様な方法でゴムローラを得た（ゴムローラ外径φ８．５ｍｍ）。

〈表面処理方法〉
ゴムローラ表面にシリコーン変性ウレタン系の表面処理剤を円筒状のリングヘッドを用いたリング塗布方法により含浸・浸透を行った。その後、前記の実施例１と同様な方法で紫外線照射を行った。紫外線照射は１０分間で波長２５４ｎｍの紫外線積算光量は約４２００ｍＪ／ｃｍ^２であった。紫外線照射時のゴムローラの表面温度は４０℃程度であった。ゴムローラの動摩擦係数を測定した結果、０．２２であり、マイクロ硬度を測定した結果、５７．５ｋｇであり、更に水に対する接触角を測定した結果、１１５°であった。又、このゴムローラを図６に示す電子写真方式の画像形成装置に帯電ローラとして組込み、感光ドラムの両端に５００ｇづつの荷重を負荷した状態で圧接し、２３．５℃／６０％の環境でハーフトーン画像による連続６０００枚の耐久画像評価を行った。この評価において、本実施例のゴムローラ（帯電ローラ）はローラ表面上の汚れも確認されず汚れによる不良画像もなく、良好な画像を得ることができた。結果を表１に示す。

［比較例１］
〈ゴムローラの作製〉
前記の実施例１と同様な方法でゴムローラを得た（ゴムローラ外径φ８．５ｍｍ）。

〈表面処理方法〉
前記、ゴムローラを図２の模式的に示す紫外線照射処理装置を用いて、エキシマランプによる紫外線照射を１０分間行った。紫外線照射に関してはエキシマランプ（ハリソン東芝ライティング製）であり、１７２ｎｍの波長にピークがありその他のピークを有さない。従って、波長２００ｎｍ以下の紫外線強度が全波長強度の１００％である。この時の波長１７２ｎｍの紫外線積算光量は約３０００ｍＪ／ｃｍ^２であった（紫外線強度は１０ｍＷ／ｃｍ^２）。紫外線照射時のゴムローラの表面温度はほぼ常温であった。波長２００ｎｍ以下の紫外線照射のため、オゾンが発生した。ゴムローラの動摩擦係数を測定した結果、０．２５であり、マイクロ硬度を測定した結果、５７．７ｋｇであり、更に水に対する接触角を測定した結果、４８°であった。又、このゴムローラを図６に示す電子写真方式の画像形成装置に帯電ローラとして組込み、感光ドラムの両端に５００ｇづつの荷重を負荷した状態で圧接し、２３．５℃／６０％の環境でハーフトーン画像による連続６０００枚の耐久画像評価を行った。この評価において、本比較例のゴムローラ（帯電ローラ）はローラ表面上に汚れが確認され、この汚れによる不良画像も発生して良好な画像を得ることができなかった。結果を表１に示す。

［比較例２］
〈ゴムローラの作製〉
前記の実施例１と同様な方法でゴムローラを得た（ゴムローラ外径φ８．５ｍｍ）。

〈表面処理方法〉
前記、ゴムローラを図２の模式的に示す紫外線照射処理装置を用いて、高圧水銀ランプによる紫外線照射を１０分間行った。紫外線照射に関しては高圧水銀ランプ（ハリソン東芝ライティング製）であり、３６５ｎｍの波長を代表とする紫外線である。また、２００〜３５０ｎｍの波長の紫外線強度が全波長強度の約４２％であり、波長２００ｎｍ以下の強度の紫外線は照射されていない。この時の波長３６５ｎｍの紫外線積算光量は約１５９０００ｍＪ／ｃｍ^２であった（紫外線強度は５３０ｍＷ／ｃｍ^２）。紫外線照射時のゴムローラの表面温度は１００℃以上にも達してしまった。ゴムローラの動摩擦係数を測定した結果、０．３５であり、マイクロ硬度を測定した結果、５５．６ｋｇであり、更に水に対する接触角を測定した結果、１１３°であった。又、このゴムローラを図６に示す電子写真方式の画像形成装置に帯電ローラとして組込み、感光ドラムの両端に５００ｇづつの荷重を負荷した状態で圧接し、２３．５℃／６０％の環境でハーフトーン画像による連続６０００枚の耐久画像評価を行った。この評価において、本比較例のゴムローラ（帯電ローラ）はローラ表面上に汚れが確認され、この汚れによる不良画像も発生して良好な画像を得ることができなかった。結果を表１に示す。

押出機の模式図。紫外線照射処理装置の模式図。低圧水銀オゾンレスランプの分光分布。エキシマランプの分光分布。高圧水銀ランプの分光分布。画像形成装置の概略構成図。

符号の説明

１押出機
２押出機のクロスヘッド
３芯金送りローラ
４芯金
５切断・除去処理
６ゴムローラ
７ローラ回転部材
８紫外線照射口
９電子写真感光体（感光ドラム）
１０帯電ローラ（帯電手段）
１１露光系
１２現像ローラ（現像手段）
１３転写ローラ（転写手段）
１４クリーニング手段
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３バイアス印加用電源

Claims

弾性部材の表面処理方法において、弾性部材の表面に対して波長２００〜３５０nmの強度が全波長強度の６０％以上で、且つ波長２００nm以下の強度が全波長強度の１％以下で紫外線を照射する事を特徴とする弾性部材の表面処理方法。