JP2007150005A

JP2007150005A - マグネットローラ

Info

Publication number: JP2007150005A
Application number: JP2005343119A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Iwai; 雅治岩井
Original assignee: Kaneka Corp; Tochigi Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp; Tochigi Kaneka Corp
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】軸一体型マグネットローラおよびシャフトインサート型マグネットローラでは、高抗折強度／たわみ強度と高磁束密度を両立させることができない場合がある。
【解決手段】「強磁性体粉末と樹脂バインダーとを含む溶融状態の混合物を磁場印加成形する工程を含む製造方法で得られうる、軸部が中空円筒状の金属製シャフトを備えるマグネットローラにおいて、
マグネットローラ成形用金型に設置された該中空円筒状の金属製シャフトの外周部および中空部に、前記混合物を射出注入する工程を含む製造方法で得られうる、
マグネットローラ」によって解決する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に組み込まれるマグネットローラに関する。

従来の複写機、プリンタ、ファクシミリ等における粉末トナーを用いた画像形成装置に組み込まれるマグネットローラは、次のような樹脂磁石材料で構成されている。

（１）シラン系カップリング剤で表面処理された繊維状物質と、シラン系カップリング剤で表面処理された磁性粉末と、合成樹脂バインダーとの混合物を金属製ロール軸と一体成形してマグネットローラを得るというものである（特許文献１）。

（２）樹脂磁石により円柱状のローラ部と、このローラ部の両端面に形成されたシャフト部からなり、これらが樹脂磁石により一体に成形されたもので、ローラ部は着磁された樹脂磁石からなり、その表面に所定の磁束密度を有するマグネットローラである（特許文献２）。
特開昭６１−１１５３０５号公報。特開昭６３−３０８７５号公報。

しかしながら、特許文献１は、金属製ロール軸（シャフト）を用いているため、マグネットローラ本体部のマグネット部分が少なくなり、結果的に高磁束密度を得ることが困難な場合がある。

また、特許文献２は、軸部（シャフト部）も樹脂磁石材料で形成されているため、高磁束密度は得られるが、抗折強度、たわみ強度が金属製シャフトを用いたマグネットローラより弱く、また、該軸部も金属製シャフトより耐摩耗性が悪く、スリーブと軸部間で電気的な導通がとれない場合がある。

本発明では、鋭意検討の結果、従来技術の問題点・課題を、下記のように新たに捉えなおした。「従来技術では高磁束密度を確保すると、抗折強度、たわみ強度等が弱い、抗折強度、たわみ強度等を確保すると、高磁束密度が得られない。つまり、高磁束密度と強度が両立できていない。よって、低価格で高画質、高性能が達成できない」と、原因に関する推定をし、その原因を解決するための手段を検討した。結果、下記の発明を完成するに至った。

（１）本発明の第１は、
「強磁性体粉末と樹脂バインダーとを含む溶融状態の混合物を磁場印加成形する工程を含む製造方法で得られうる、軸部が中空円筒状の金属製シャフトを備えるマグネットローラにおいて、
マグネットローラ成形用金型に設置された該中空円筒状の金属製シャフトの外周部および中空部に、前記混合物を射出注入する工程を含む製造方法で得られうる、
マグネットローラ」、
である。

（２）本発明の第２は、
「前記中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５％以上６０％以下であり、かつ、
該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚がシャフト外径寸法の５％以上３０％以下である、請求項１記載のマグネットローラ」、
である。

本発明（請求項１）により、高磁束密度を維持しながら、高抗折強度、高たわみ強度のマグネットローラが得られ、また、軸部（中空円筒状の金属製シャフト）とスリーブ間との導通が可能となる。

従来技術である特許文献１では、金属製シャフトを用いているため、高抗折強度、高たわみ強度は確保できるが、高磁束密度が確保できない場合があった。また、従来技術である特許文献２では、軸部も樹脂磁石材料であるため、高磁束密度は確保できるが、高抗折強度、高たわみ強度が確保できない場合があり、軸部とスリーブ間の導通がとれない場合があった。本発明では、中空円筒状の金属製シャフトの外周部および内周部に溶融樹脂磁石材料を射出注入する。従って、本発明では、高磁束密度を維持しながら、高抗折強度、高たわみ強度が実現できる、という効果がある。

本発明（請求項２）により、中空円筒状の金属製シャフトの軽量化を図りつつ、高磁束密度を維持しながら、高抗折強度、高たわみ強度のマグネットローラが得られ、また、軸部（中空円筒状の金属製シャフト）とスリーブ間との導通が可能となる。

本発明では、中空円筒状の金属製シャフトの外周部および内周部に溶融樹脂磁石材料を射出注入して、種々の特殊な要求特性を必要とするマグネットローラを提供している。確かに、他技術において、金属製などのシャフトを使用するローラや金属製などのシャフトを使用する成形体などで、シャフト自身の自重によるたわみ等を削減する目的で中空のシャフト等を使用する場合も有りうる。しかしながら本発明では、従来から有る中空のシャフトを単にマグネットローラに転用したのものではない。上記中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５％〜６０％とし、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径の５％〜３０％とすることにより、磁束密度を犠牲にせず、最適な高折強度やたわみ強度が得られるという顕著な効果を奏するマグネットローラを提供するものである。

なお、中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法とは、中空円筒状の金属製シャフトの直径の寸法のことである。

また、中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚がシャフト外径寸法の５％以上３０％以下である場合、中空部分の直径は４０％以上９０％以下であることになる。

マグネット部の材料は、樹脂バインダーとしてエチレンエチルアクリレート樹脂を１０重量％（滑剤、安定剤等含む）、強磁性体粉末として異方性ストロンチウムフェライト（ＳｒＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３）粉末を９０重量％とし、これらを混合して溶融混練し、ペレット状にする。このペレットを溶融状態にして、図１のような成形装置にて、注入口から溶融樹脂磁石材料を中空円筒状の金属製シャフトの外周部と中空部に射出注入し、２４０Ｋ・Ａ／ｍ〜２４００Ｋ・Ａ／ｍの磁場を印加しながら配向着磁して、図２のようなマグネットローラを得る。該マグネットローラは、後加工が不要となり、低コストで高寸法精度のマグネットローラが得られる。

得られたマグネットローラは、中空円筒状の金属製シャフトを用いているため、抗折強度やたわみ強度が高く、また、中空内部にも磁石材料を充填しているので、高磁束密度も確保できる。

成形時に印加する配向着磁磁場は、各磁極に要求される磁束密度仕様により適宜選択すればよい。また、要求磁気特性によっては成形時に配向着磁磁場を印加せず、成形後に着磁してもよい。

要求磁気特性によっては、溶融樹脂磁石材料を中空円筒状の金属製シャフトの外周部のみに射出注入し、中空部には溶融樹脂磁石材料を注入せず、軽量化を図ってもよい。

中空円筒状の金属製シャフトとしては、非磁性体ではアルミ系、ステンレス系（非磁性系）、銅系、チタン系、等で、磁性体では鉄系、ステンレス系（磁性系）、等を用いればよい。もちろん、必要に応じてメッキ処理、硬化処理等の表面処理を施してもよい。

上記中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５％〜６０％とし、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径の５％〜３０％とすることにより、磁束密度を犠牲にせず、最適な高折強度やたわみ強度が得られる。

中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５％未満となると、シャフト自身の高折強度やたわみ強度が低下し、得られたマグネットローラの高折強度やたわみ強度も確保できなくなる。中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の６０％を超えると、最も磁束密度強度に寄与するシャフト外周部のマグネットの体積が減り、結果的に高磁束密度が確保できなくなる。

中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径の５％未満にすると、シャフト自身の高折強度やたわみ強度が低下し、得られたマグネットローラの高折強度やたわみ強度も確保できなくなる。中空円筒状の金属製シャフトの肉厚がシャフト外径の３０％を超えると、中空部のマグネットの体積が減り、結果的に高磁束密度が確保できなくなる。

上記では、マグネットローラ材料として、樹脂バインダーにエチレンエチルアクリレート樹脂、強磁性粉末に異方性ストロンチウムフェライトを用いたもので説明したが、これらに制限されるものではない。

強磁性体粉末としては、ＭＯ・ｎＦｅ_２Ｏ_３（ｎは自然数）で代表される化学式を持つ異方性フェライト磁性粉などがあげられる。式中のＭとして、Ｓｒ、Ｂａまたは鉛などの１種類または２種類以上が適宜選択して用いられる。

また、強磁性体粉末として、異方性フェライト磁性粉、等方性フェライト磁性粉、異方性希土類磁性粉（例えばＳｍＦｅＮ系）、等方性希土類磁性粉（例えばＮｄＦｅＢ系）を単独または２種類以上を混合して用いてもよい。要求される磁束密度により適宜選択すればよい。

樹脂バインダーとしては、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）、ＥＶＯＨ（エチレン−ビニルアルコール共重合体）及びＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）などの１種類または２種類以上、もしくはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂及びポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂の１種類または２種類以上を混合して用いることができる。

上記に示した単独磁性粉あるいは混合磁性粉の含有率が５０重量％未満では、磁性粉不足により、マグネットピースあるいはマグネットローラの磁気特性が低下して所望の磁力が得られにくくなり、また、それらの含有率が９５重量％を超えると、樹脂バインダー不足となり成形性が損なわれるおそれがある。

添加剤としては、磁性粉の表面処理剤としてシラン系やチタネート系等のカップリング剤、流動性を良好にするポリスチレン系・フッ素系滑剤等、安定剤、可塑剤、もしくは難燃剤などを添加する。

また、本明細書においては、中空円筒状の金属製シャフトの外周部と中空部との樹脂磁石材料が同一のもので説明したが、これに制限されるものではない。例えば、外周部に、希土類系磁性粉とフェライト系磁性粉との混合磁性粉と、樹脂バインダーとの混合物である樹脂磁石材料を用い、中空部にはフェライト系磁性粉と樹脂バインダーとの混合物である樹脂磁石材料を用いてもよい。磁性粉や樹脂バインダーは、要求磁気特性、機械的強度、要求コスト等により適宜設定すればよい。

更に、本明細書においては、５極構成のマグネットロールを図示しているが、本発明は５極マグネットロールのみに限定されない。すなわち、所望の磁束密度と磁界分布により、磁極数や磁極位置も適宜設定すればよい。

さらに、上記では、射出成形にて中空円筒状の金属製シャフト一体型のマグネットローラ（図２）を形成する方法ついて説明したが、マグネットローラ形成方法についても特に制限はなく、押出成形にて中空円筒状の金属製シャフトと溶融樹脂磁石材料を同時成形して、その後、余分なマグネット部を取り除き、マグネットローラを形成してもよい。

以下に本発明を実施例および比較例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図２のマグネットローラ用材料として、樹脂バインダーにエチレンエチルアクリレート樹脂（日本ユニカー製ＰＥＳ２１０）を１０重量％（滑剤、安定剤を含む）、強磁性粉末に異方性ストロンチウムフェライト（ＳｒＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３）粉末（日本弁柄工業製ＮＦ−３５０）を９０重量％とし、これらを混合して溶融混練し、ペレット状に成形し、このペレットを溶融状態にし、図１の射出成形装置を用いて、２４０Ｋ・Ａ／ｍ〜２４００Ｋ・Ａ／ｍの磁場を印加しながら溶融樹脂磁石の磁性粒子を配向着磁し、図２に示すようなマグネットローラを得た。

マグネットローラ本体部の外径はφ１３．６（直径１３．６ｍｍ）、マグネットローラ本体部の長さは３２０ｍｍ、中空円筒状の金属製シャフト長さは３７０ｍｍとした。該シャフトの材質としては、ＳＴＫＭ１２を用い、シャフト外径をφ６（直径６ｍｍ）、管壁肉厚を１．０ｍｍとした。（すなわち、中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の４４．１％であり、該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚がシャフト外径寸法の１６．７％である。）
形成されたマグネットローラの両端軸部を支持し、マグネットローラを回転させながら、マグネットローラの中心から８ｍｍ離れた位置（スリーブ上）にプローブ（磁束密度センサー）をセットし、ガウスメータにてマグネットローラの周方向磁束密度パターンを測定した。

また、図３のような抗折強度測定装置（島津製作所製ＡＧＳ−Ｈ５ｋＮ使用）により、マグネットローラを固定し、矢印の方向へ加圧治具を５０ｍｍ／ｍｉｎのスピードで加圧し、マグネットローラ本体部（図３のａ）と軸部（図３のｂ）の抗折強度を測定した。

更に、図４のように、マグネットローラの両端軸部を固定し、長さ３７０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚み１．２ｍｍの磁性板（ＳＫ鋼）（磁性ブレード）をマグネットローラ中心から８．１ｍｍの位置に近づけた場合のマグネットローラのたわみ量（マグネットローラが磁性ブレードに吸引されてたわむ量）をピックテスターにて測定した。この際、マグネットローラの磁極中（５極中）の最大磁束密度のピーク位置（図５に示すＮ１極磁束密度ピーク位置）を上記磁性板に対向させるようにセットした。
測定結果を表１に示す。

なお、実施例・比較例に共通する「表」の内容について、説明する。
「表」中の磁束密度は、５つの磁極のうち最大磁束密度である主極Ｎ１極の磁束密度のみを記載した。
「表」中の抗折強度は、マグネットローラの軸部分とマグネットローラ本体部分の強度を記載した。
「表」中のたわみ量は、磁性ブレードを近づけていない場合を基準（たわみ量ゼロ）とし、磁性ブレードを８．１ｍｍに近づけた場合の変化量をたわみ量として記載した。

（実施例２）
図２のマグネットローラ用材料として、樹脂バインダーにナイロン６（ユニチカ製Ａ１０１５Ｐ）を用いる以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（実施例３）
中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法をφ３．５ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５．７％、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚を０．１８ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径寸法の５．１％）とする以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（実施例４）
中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法をφ８ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の６０％）、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚を０．４ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径寸法の５％）とする以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（実施例５）
中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法をφ８ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の５８．８％）、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚を２ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径寸法の２５％）とする以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（実施例６）
中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法をφ３．５ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５．７％）、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚を０．８８ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径寸法の２５．１％）とする以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。
（実施例７）
中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法をφ２．７ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の１９．９％）、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚を０．０８ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径寸法の３．０％）とする以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。
（実施例８）
中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法をφ９．５ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネット本体部の外径寸法の６９．９％）、かつ該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚を２．８ｍｍ（中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚をシャフト外径寸法の２９．５％）とする以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（比較例１）
中空円筒状の金属製シャフトを用いず、図６に示す射出成形装置（金型）により、同一の樹脂磁石材料でマグネットローラ本体部および軸部を形成（軸一体成形）する以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（比較例２）
中空円筒状の金属製シャフトを用いず、図６に示す射出成形装置（金型）により、同一の樹脂磁石材料でマグネットローラ本体部および軸部を形成（軸一体成形）する以外はすべて実施例２と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

（比較例３）
中空円筒状の金属製シャフトを用いず、無垢の金属製シャフト（外径：φ６、材質：ＳＵＭ２２）を用い、図７に示す射出成形装置（金型）により、マグネットローラを形成する以外はすべて実施例１と同様に行った。
測定結果を表１に示す。

本発明のマグネットローラを成形する装置（金型）本発明のマグネットローラ斜視図マグネットローラの本体部及び軸部の抗折強度測定装置磁性ブレードによるマグネットローラたわみ量測定装置磁束密度パターン従来の軸一体型マグネットローラを成形する装置（金型）従来のシャフトインサート型マグネットローラを成形する装置（金型）

符号の説明

１射出成形用金型
２磁場発生源
３中空円筒状の金属製シャフト
４シャフト中空部への溶融樹脂磁石材料注入口
５シャフト外周部への溶融樹脂磁石材料注入口
６マグネットローラ本体部成形空間（シャフト外周部）
７シャフト中空部成形空間
８マグネットローラ本体部
９加圧治具
１０マグネットローラ固定治具
１１抗折強度測定装置ベース台
１２磁性ブレード
１３マグネットローラ固定治具
１４たわみ量測定装置ベース台
１５ピックテスター
１６磁束密度パターン
１７Ｎ１極磁束密度ピーク
１８中空部内マグネット
１９スリーブ
２０射出成形用金型
２１軸一体型マグネットローラ成形空間
２２溶融樹脂磁石材料注入口
２３射出成形用金型
２４溶融樹脂磁石材料注入口
２５シャフト（無垢）

Claims

強磁性体粉末と樹脂バインダーとを含む溶融状態の混合物を磁場印加成形する工程を含む製造方法で得られうる、軸部が中空円筒状の金属製シャフトを備えるマグネットローラにおいて、
マグネットローラ成形用金型に設置された該中空円筒状の金属製シャフトの外周部および中空部に、前記混合物を射出注入する工程を含む製造方法で得られうる、
マグネットローラ。
前記中空円筒状の金属製シャフトの外径寸法がマグネットローラ本体部の外径寸法の２５％以上６０％以下であり、かつ、
該中空円筒状の金属製シャフトの管壁肉厚がシャフト外径寸法の５％以上３０％以下である、請求項１記載のマグネットローラ。