JP2007038475A - ゴムローラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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製造方法において、押出成形時のゴムの外径が長手方向で変動の少ない均一な形状を押出成形することが可能なゴムローラの製造方法を提供すること。
【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ゴムローラを押出成形する際に押出機とダイヘッドとの間にギヤポンプを接続することにより、精密な容量のゴム材料を吐出することで、長手方向で外径変動の少ない均一な形状のゴムを押出成形することを特徴とするゴムローラの製造方法。
【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ゴムローラの（帯電ローラ、現像ローラ等）の製造方法に関するものである。

一般に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ローラとして帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ等が挙げられる。これらのローラは、芯金（軸体）の外周部に被服層（弾性層）が形成され、その材質としては一般的にゴム材料が用いられている。

従来、所定の断面形状を有するゴムを押出成形する製造方法として、ゴム用押出機が古くから知られている。その基本構成としてはスクリューを備え後方より供給された材料を混練し可塑化する混練・可塑化されたゴム材料はスクリューによりダイヘッドに送り込まれ、所定の断面形状を持つダイから押出成形される。

電子写真プロセスを利用した画像成形装置に用いられるローラとするためには、例えば前記製造方法により、ゴム材料を一旦チューブ形状に押出成形した後、加硫工程を経て更に接着剤（プライマー）を塗布した芯金をチューブ内側に挿入し、両端部のゴムを所定の長さに突っ切る製造方法、或はダイヘッド上流から芯金と共にゴム材料を押出成形することが可能なクロスヘッドダイを用いて、ゴム材料の押出成形と同時に芯金上に被覆する製造方法（特許文献１参照）が採られている。

又、電子写真用ローラにおいては、当接する相手部材と均一な接地を行うためにローラのゴム層の外径を長手方向に両端部から中央部につれて徐々に大きくなる形状（一般的に「クラウン形状」と呼ばれる）にすることが知られている。通常、クラウン形状のローラを得るためには、逆クラウン形状を持つ金型に材料を注入後脱型する方法や、加硫後にローラを研磨してクラウン形状に整える方法（特許文献２参照）、クロスヘッド押出機への芯金の送り速度を調速して、芯金上のゴム層をクラウン形状とする方法（特許文献３参照）等が知られている。

一方、スクリュー押出機の先端にギヤポンプを接続することにより、ダイヘッドへのゴム材料の供給を一定に維持することで精密成形を可能とするゴムの成形方法（特許文献４参照）が知られているが、この技術は、電子写真分野のゴムローラの製造方法に関するものではない。
特開２００２−３５５９００号公報 特開２００２−３６４６３３号公報 特開２００３−３００２３９号公報 特許第０３３３０１２６号公報

電子写真プロセスを利用した画像成形装置に用いられるゴムローラとしては、単に押出したままの押出成形物の形状では利用できないことが多い。これは、例えば帯電ローラの場合、表面に凹凸があると、この凹凸内にトナー及び外添剤が付着する原因となり、これにより均一な帯電状態を得ることができなくなり、結果として画像評価試験した場合に画像の濃度が変化したり、画像にスジやポチが入ったりと画像不良の原因となるからである。

更に均一な帯電を行うために当接部材である感光体ドラムとの均一な圧接状態が求められるので、ローラ形状の凹みやうねり等無い、できるだけ均一なクラウン形状であることが望ましい。ここで、本発明で言う「うねり」とは、表面粗さのピッチ形状よりも大きな周期性を持つような凹凸を意味するものである。従って、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としては、ローラの形状が均一であることが非常に重要であることが分かる。

しかしながら、要求される形状のローラを得るために前記の各方法を用いた場合には次のような問題が起きることがある。

先ず、逆クラウン金型を使用する方法では、ローラのクラウン形状合わせた専用の型がローラの種類ごとに必要となるためにどうしても高価になってしまう。研磨によって形状に整える方法では、良好なクラウン形状を得ることが可能ではあるが、どうしても工程が増える分コストが高くなるのは勿論であるが、研磨する場合には研磨代の必然性による材料の無駄も発生してしまう。クロスヘッド押出機への芯金の送り速度を調速し芯金上のゴム層をクラウン形状とする方法では、スクリュー式押出機を使用するためと思われる吐出量の脈動が生じる場合があり、結果として長手方向の形状にうねりが発生してしまうことがある。

又、前記ギヤポンプを用いる方法では、スクリューの長さＬ及び外径Ｄの比率であるＬ／Ｄが１〜３未満が良いとされている。しかし、電子写真用ローラとして用いるためには、未加硫ゴム材料内の空気や水分が原因とされるボイドと呼ばれる気泡が加硫後のローラで問題となるため、押出成形装置内でのゴム材料の混練・可塑化時に真空引き（ベント）必要があるが、ギヤポンプ部では構造的に難しいためにその機能をスクリュー部に持たせる必要がある。そのため、スクリューのＬ／Ｄを長くして、ベント効果をスクリュー部で行わなければならない。

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を、押出成形時に長手方向の形状変動を小さく抑えることで、その後のゴムローラ形状補正工程、例えば、研磨工程を削減或は高精度押出形状による研磨工程での研磨代減少若しくは研磨時間の短縮等を実現することにより、より低コストに製造する方法を提供することである。

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。

即ち、本発明は、未加硫ゴム組成物を押出成形装置により押出成形するゴムローラの製造方法において、押出成形装置先端とダイヘッドとの間にギヤポンプを備え、該ギヤポンプの吐出側をダイヘッドに接続した押出成形装置を用い、未加硫ゴム組成物をギヤポンプに送り込むことによってギヤポンプの噛み合いによる精密な容量の未加硫ゴム組成物が送り出され、ダイヘッドから精密な容量の未加硫ゴム組成物を吐出し得ることを特徴とするゴムローラの製造方法を提案することを第１の要旨とし、前記ダイヘッドが、未加硫ゴム組成物を芯金と共に押出し、直接芯金上に未加硫ゴム組成物を被覆することができるクロスヘッドダイであることを特徴とするゴムローラの製造方法を提案することを第２の要旨とする。

又、前記ギヤポンプの回転数を制御することにより未加硫ゴム組成物の吐出量を変化させることで、押出成形された未加硫ゴム組成物の外径を長手方向で変化させることを特徴とするゴムローラの製造方法を提案することを第３の要旨とする。

本発明に使用するギヤポンプについて更に詳しく説明する。

ギヤポンプは、回転するギヤの歯と歯の間の空間に充満した材料を、歯の噛み合いにより押出し、吐出を行う装置であり、押出圧力が変わっても吐出量に変化のない定容量型押出ポンプである。ギヤポンプは、ギヤ回転数が一定でも、ギヤの噛み合いによる容量がその構成のため一定ではないことによるギヤの歯数に比例した吐出量の脈動が発生するため、その吐出精度には限界がある。

一方、スクリュー式ゴム押出機の場合、このような機械的脈動の発生要素は持たないが、ゴムとライナ、スクリュー壁面間の摩擦係数が温度、ゴム材料物性、運転条件等に影響を受けて変動することよる吐出変動が発生し易い。一般的なギヤポンプにおいては吐出量の脈動を抑えるため、ギヤを歯スジが回転軸に対してねじれたはすば歯車や、左右両ねじれはすば歯車を組合せたやまば歯車が用いられることがある。

ギヤポンプの場合、吐出の精度は、スクリュー式押出機のようにゴム材料の粘度特性や摩擦係数に影響を受けにくいため、ギヤポンプの温調に対して余り敏感ではなく、ギヤの回転精度に直接影響されてしまうが、一般的にスクリュー式のゴム押出機の吐出変動よりも小さいという特徴がある。更に、定容量押出のため、非常に立ち上がりが早く、吐出が安定するまでの時間も短いという特徴もある。

又、ギヤポンプは、その構成的にギヤを回転させるための駆動源とギヤとの間に高い押出圧力に耐え得る回転シールが必要となるが、駆動軸以外の回転シール部分に一般的な樹脂用ギヤポンプでは、シール部を通過した押出材料を再びギヤポンプ入口へ戻す循環式シール構造が採用されているが、ゴム材料を押出す場合には、ゴム材料が加硫／硬化してしまうゴム材料の特性があるために、循環式シール構造をとることは難しい。そのため、ゴム整形用途に使用されるギヤポンプにおいては、回転シール部を通過したゴム材料はギヤケース外部へと排出され、殆どの場合、循環再使用はされない構成である。

以上、上記に説明したようなギヤポンプを用いて押出成形を行うことで、押出成形機の吐出量変動によって生じる径の凹凸やうねり等の外径の変動が長手方向において少ない押出成形品を得ることが可能である。

又、本発明に従って得られたゴムローラは電子写真プロセスを利用した画像形成装置に用いられるゴムローラ（帯電ローラ、現像ローラ、転写ローラ等）であることを特徴としている。

本発明によれば、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を製造する場合に、公知の押出成形機にギヤポンプを組合せることにより、押出成形機の吐出量変動を小さくし精密な容量の未加硫ゴム組成物をダイより吐出することが可能であり、凹凸やうねりの少ない安定した形状のゴム押出成形品を得ることができる。ゴム押出成形品の形状不良を抑えることでその後のゴムローラの加工工程、例えば研磨工程等を簡略化することができ、これにより製造コスト及び材料コストを削減し、安価で例えば帯電ローラとして使用した場合に画像不良等に問題を発生しにくく、帯電均一性能の良い電子写真用ゴムローラが製造できる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に用いる押出機のストレートヘッド断面構成の模式図である。図１において右から順にスクリュー押出機１、スクリュー８、ギヤポンプ２、流路３、流路４、ニップルホルダ５、ニップル６、ダイヘッド７を備えている。スクリュー押出機１は、図示してはいないが後方のゴム材料供給口から供給される未加硫ゴム材料を混練・可塑化して前方に押出す。

ギヤポンプ２は、回転ポンプに属するポンプで、図示しているような少なくとも２つ以上のギヤから構成され、スクリュー押出機１より搬送・供給されるゴム材料を更に混練・可塑化しつつ、ギヤケース内周部とギヤ凹部形状の噛み合いによるクリアランスに規制される容積の単位吐出量に応じた定量のゴム材料をギヤの歯数と回転数によって定まる流量のゴム材料を前方の流路３へと押出す。

ギヤポンプ２の前方には流路３、流路４、ニップルホルダ５、ニップル６、ダイヘッド７が配置されるが、流路３では、断面積の絞りが小さい若しくは絞りが無い場合が多く、流路３及びニップルホルダ５を通過したゴム材料は更に前方へ押出され、流路４では徐々に流路が絞られ流路断面積が小さくなっていく。ニップル６及びダイヘッド７の径の組合せを調整することで、流路４から送り込まれたゴム材料は、任意の内外径を持つゴムチューブとして押出されることになる。

図２はクロスヘッド断面構成の押出機の模式図である。

図２において右から順にスクリュー押出機１、ギヤポンプ２、流路３、クロスヘッド８を備える。クロスヘッド８は、芯金送り機構（不図示）によって送られた芯金４を後ろから挿入でき、芯金４は図２の芯金通過路７を通り、芯金と同時に円筒状のゴム材料を一体に押出すことができる。芯金の周囲に円筒状の未加硫ゴムを成形した後に、端部を切断・除去処理５を行い、未加硫ゴムローラ６とした。

ストレートヘッドダイ及びクロスヘッドダイのどちらを使用する場合においても、ギヤポンプの回転数をチューブ或は芯金１本当たりの周期に同期して制御することで、吐出量をコントロールし、チューブ或は芯金上の未加硫ゴム層の厚みを長手方向で変化させることができる。例えば、ローラ１本分の成形中においてギヤポンプの回転数を端部では遅く、中央に向かうに連れて徐々に回転数を速く、中央部を過ぎたら再度端部へ向けて回転数を遅くしていく。このようなギヤポンプの回転の制御を行うことで、ギヤポンプの吐出量は少→大→少と変化することになり、結果的にローラの長手方向にクラウン形状がつくことになる。

このように回転数を制御し、吐出量をコントロールすれば、クラウン形状以外の形状、例えばテーパー形状や逆クラウン形状、段付き形状のようなローラも製造することが可能となる。又、クロスヘッドダイを用いた押出の場合には、クロスヘッドダイに送り込まれる芯金の送り速度を調速して芯金上のゴム層の厚みを制御してクラウン形状を成形する従来の製造方法と本発明の押出成形機にギヤポンプを接続して精密な容量の吐出し得る製造方法を併用しても良く、更にはギヤポンプの回転数の制御する方法を併用しても良い。

前記の未加硫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、耐熱樹脂棒等が好ましいが、特にこれらに限定されるものではない。又、未加硫ゴム組成物の材料としては、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が用いられる。又、これらのゴムを単体若しくはブレンドして用いることもできる。更に、加硫済みのゴムに対して裁断、粉砕、研削等の処理を施し、ゴム片或はゴム粉状にしたもの、或は１ｎｍ以上２００μｍ以下の球状に成形・加硫されたゴム粉等を前記未加硫ゴム組成物に添加することもできる。

上記ゴム材料には、加硫剤、加硫促進剤、導電剤、帯電制御剤、可塑剤、老化防止剤等を適宜に添加することもできる。更に、帯電防止剤、紫外線吸収剤、補強剤、充填剤、滑剤、離型剤、顔料、染料、難燃剤等を必要に応じて適宜に添加することもできる。

未加硫ゴムローラの加熱・加硫方法に関しては、熱風炉、加硫缶、熱盤、遠・近赤外線、誘導加熱等の何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・加硫することが好ましい。

本発明の実施の形態であるゴムローラの製造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及び現像或は転写ローラとして用いられるが、その使用形態を図４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、１４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１５により周面が所定の極性・電位（本実施の形態では−６００Ｖ）に一様帯電処理され、次いで露光系１６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１７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１８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１９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、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製造方法によれば、押出成形機の吐出量変動小さくし精密な容量の未加硫ゴム組成物をダイより吐出することが可能であり、凹凸やうねりの少ない安定した形状のゴム押出成形品を得ることができる。ゴム押出成形品の形状不良を抑えることで、その後のゴムローラの加工工程、例えば研磨工程等を簡略化することができ、これにより製造コスト及び材料コストを削減し、安価で例えば帯電ローラとして使用した場合に画像不良等に問題を発生しにくく、帯電均一性能の良い電子写真用ゴムローラが製造できる。

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。

＜未加硫ゴム組成物の作製＞
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。以降特に記載がない場合は、全てこの未加硫ゴム組成物を使用している。

図１に模式的に示すスクリュー押出機１とギヤポンプ２の間にメッシュホルダー、＃６０メッシュ（不図示）を接続し、更に、ギヤポンプ２の吐出側に、ストレートダイヘッド７を接続した構成の押出成形装置において、前記未加硫ゴム組成物をスクリュー後方より供給し、ギヤポンプの回転数は一定としてダイからの吐出量を一定に制御し押出成形を行い、内径５．５ｍｍのゴムチューブを得た。

次に、外径φ６ｍｍ、長さ２５６ｍｍの円柱形の導電性芯金（鋼製、表面はニッケルメッキ）の円柱面の軸方向中央部２３２ｍｍに導電性ホットメルト接着剤を塗布し、８０℃で３０分間乾燥したものに前述のゴムチューブを圧入し、熱風炉にて１６０℃で２時間の２次加硫と接着処理を行った。この加硫後のローラのゴム両端部を突っ切り、ゴム部分の長さを２３２ｍｍとした。

このようにして、実施例１のゴムローラを得た。このローラ長手５点の外径差（最大外径−最小外径）を測定したものを表１に示す。本発明によるゴムローラの評価として、ローラ長手方向５点の外径差（最大外径−最小外径）を測定した結果を表１に示す。

又、このゴムローラを帯電ローラ使用するために紫外線を照射後に、電子写真用カートリッジに組み込み、感光ドラムの両端に５００ｇずつの荷重を負荷した状態で圧接し、温度１５℃湿度１０％の環境条件にて、このゴムローラ（帯電ローラ）を用いてハーフトーンによる画像評価を行った。この評価において、本実施例のゴムローラ（帯電ローラ）により良好な画像を得ることができた。

更に、前記環境条件にて画像耐久試験（６千枚連続印字）を行った結果でも、ゴムローラ（帯電ローラ）の汚れもなく良好な画像を得ることができた。その評価基準として目視にて画像不良が全く認められないを◎、画像不良が僅かに認められたものを○、画像不良が認められたものを×とした。その結果を表１に示す。
［比較例１］
一方、比較例として実施例１と同様スクリュー押出機１に直接メッシュホルダー、＃６０メッシュ（不図示）、ストレートダイヘッド７を接続した。ギヤポンプ２を備えない従来の構成の押出成形装置であるということ以外は、実施例１と同様な方法でゴムローラを得た。このゴムローラについて実施例１と同様な評価を行った結果を表１に示す。

上記の実施例１と比較例１について外径差及び画像評価結果を比較したところ、実施例１は比較例１に比べてローラ長手５点の外径差が低減されており、画像評価においても良化していることが分かる。

次に、外径φ６ｍｍ、長さ２５８ｍｍのステンレス棒の芯金を用意し、図２に模式的に示すクロスヘッド９及びギヤポンプにおいて、クロスヘッド９の図面上部から芯金を一定速度且つ端部で隙間ができないように連続的に送り込み、芯金とギヤポンプによって安定して吐出されるゴム材料を同時にクロスヘッド９より押出すことで、芯金上に直接ゴム層を被覆したゴムローラを得た。

その後、未加硫ゴム組成物の長さが２３２ｍｍになるように端部を切断・除去処理を行い未加硫ゴムローラを得た（未加硫ゴムローラ外径φ８．５ｍｍ）。

前記未加硫ゴムローラを１６０℃、２時間熱風炉加熱による２次加硫を行い、ゴムローラを得た。このゴムローラについて実施例１と同様な評価を行った結果を表１に示す。
［比較例２］
一方、比較例１と同様にギヤポンプをクロスヘッドと押出機との間に接続しないこと以外は実施例２と同様な方法でゴムローラを得た。このゴムローラについて実施例１と同様な評価を行った結果を表１に示す。上記の実施例２と比較例２について性能を比較したところ、実施例２は比較例２に比べてローラ長手５点の外径差が低減されており、画像評価においても良化していることが分かる。

実施例２と同様な構成のクロスヘッド押出機及びギヤポンプを使用し、クロスヘッド９の図面上部から芯金を一定速度且つ端部で隙間ができないように連続的に送り込み、芯金とローラ１本毎の押出成形周期でギヤポンプの回転数を変化させて吐出されるゴム材料をダイヘッドより同時に押出すことで、芯金上に直接ゴム層を被覆したゴムローラを成形した。

具体的には、ローラ端部から中央部に向かうに連れてギヤポンプの回転数を徐々に増速させ、ゴム材料の吐出量を増やしていく。ローラ中央部を対称軸とし、中央部通過後においては前半部とは逆にローラ端部へ向けて回転数を減速し、ゴム材料の吐出量を減少させていく。このようにしてゴム材料の吐出量を制御し、図３に示すような芯金１２上に被覆されるゴム層１３の厚みが長手方向で制御された良好なクラウン形状であり、更に凹凸やうねりの少ないゴムローラを得ることができた。このゴムローラについて実施例１と同様な画像評価を行ったところ、汚れもなく良好な画像を得ることができた。その結果を表１に示す。

ギヤポンプを備えたストレートヘッド押出機の模式図である。 ギヤポンプを備えたクロスヘッド押出機の模式図である。 クラウン形状ゴムローラの模式図である。 画像形成装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 押出機
２ ギヤポンプ
３ ゴム流路
４ ゴム流路
５ ニップルホルダ
６ ニップル
７ ストレートダイヘッド
８ スクリュー
９ クロスヘッド
１０ 芯金通過路
１１ クロスヘッド内ゴム流路
１２ 芯金
１３ ゴム層
１４ 電子写真感光体（感光ドラム）
１５ 帯電ローラ（帯電手段）
１６ 露光系
１７ 現像ローラ（現像手段）
１８ 転写ローラ（転写手段）
１９ クリーニング手段
Ｅ１〜Ｅ３ バイアス印加用電源

Claims (3)

1. 未加硫ゴム組成物を押出成形装置により押出成形するゴムローラの製造方法において、
   押出成形装置先端とダイヘッドとの間にギヤポンプを備え、該ギヤポンプの吐出側をダイヘッドに接続した押出成形装置を用い、未加硫ゴム組成物をギヤポンプに送り込むことによって精密な容量の未加硫ゴム組成物をダイヘッドから吐出し得ることを特徴とするゴムローラの製造方法。
2. 前記ダイヘッドが、未加硫ゴム組成物を芯金と共にに押出すことで、芯金上に未加硫ゴム組成物を被覆する工程を有するクロスヘッドダイであることを特徴とする請求項１記載のゴムローラの製造方法。
3. 前記ギヤポンプの回転数を制御することにより未加硫ゴム組成物の吐出量を変化させることで、押出成形された未加硫ゴム組成物の外径を長手方向で変化させることを特徴とする請求項１又は２記載のゴムローラの製造方法。

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