JP2010110954A - 弾性ローラの成形金型、および弾性ローラの成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティを形成する部材間の接触面への材料付着を低減でき、長期にわたりキャビティ内面の離型膜状態を維持できる弾性ローラの成形金型を提供する。
【解決手段】内面に離型膜を有するキャビティ５が形成された、弾性ローラの成形金型１において、中空の円筒状に形成されたパイプ金型２と、パイプ金型２の上端部を閉鎖するように設けられた上駒３と、上端部が開口した円筒状に形成され、パイプ金型２の下端部に設けられた下駒４とを有し、キャビティ５が、パイプ金型２と上駒３と下駒４とにより形成され、パイプ金型２の上端部内周面と上駒の外周面との間、およびパイプ金型の下端部外周面と下駒の上端部内周面との間には、それぞれ気密な接触面６ａ、６ｂが形成され、各接触面６ａ、６ｂに沿って各接触面６ａ、６ｂに隣接する領域には、キャビティ５に開口し、内面に離型膜を有する空間７ａ、７ｂが形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性ローラの成形金型と、その成形金型を用いた弾性ローラの成形方法に関する。

近年、画像形成装置の小型化、高画質化および低価格化の要求に伴い、画像形成装置に組み込まれているトナー供給ローラ、帯電ローラ、転写ローラ等の機能性ローラにおいては、高精度化および低価格化が要求されている。それに応じ、これらの機能性ローラの品質を向上または維持しながら製造コストを下げる努力がなされている。

こうした中、ローラの成形方法として、一般的には、例えば特許文献１に記載されているような方法が知られている。そこでは、パイプ金型と芯材を保持する駒とを型組みして材料を充填するためのキャビティを形成し、次いで駒に設置した注入口より材料をキャビティに注入して、芯材の周囲に材料を積層させて弾性層を成形している。

このような方法では、パイプ金型からローラを脱型する時の剥離性を向上させるため、しばしばキャビティの内面に離型剤が塗布される。しかし、使用する離型剤や材料処方にもよるが、離型剤の塗布量のバラツキや不均一塗布が発生すると成形品に悪影響を及ぼすことになる。そのため、離型剤や塗布ノズルの状態維持および管理に対する手間、また離型剤のコスト等の問題もあり、離型剤を使用しない成形方法が求められていた。

これらの問題の解決策として、キャビティの内面にフッ素樹脂などからなるコーティング層（離型膜）を設けたり、フッ素樹脂製のチューブを配置したりすることで離型剤塗布工程を削減する成形方法が提案されている（特許文献２）。

図４に、従来の弾性ローラ用成形金型の一例を示す。図４（ａ）は、パイプ金型の両端部に一対の駒が設けられている成形金型を示し、図４（ｂ）は、さらに、発泡弾性体材料を受けるためのカップを備えた成形金型を示している。

一般に、フッ素樹脂などからなる離型膜は金属と比較して格段に柔らかく、耐摩耗性が低い。そのため、例えば図４（ａ）に示す、パイプ金型１０２と駒１０３、１０４との間の接触面１０６ａ、１０６ｂのように、型組みや型バラシ等の成形工程において接触を繰り返す部分では、形成された離型膜はすぐに磨耗してしまうことになる。磨耗が進行すると、接触面１０６ａ、１０６ｂにはキャビティ１０５に注入した材料の付着が発生し、成形品の形状や性能に悪影響を及ぼすことになる。また、離型膜を毎回塗布して生成する方法もあるが、塗布ムラや塗布の積み重ねによる金型表面の汚れが模様となって成形品に現れる等の不具合が発生していた。

そこで、パイプ金型と駒とが接触を繰り返す嵌合部に形成される接触面には耐久性被膜を形成し、他の内周面には離型性被膜を形成する方法が提案されている（特許文献３）。
特開平５−３２９８５５号公報 特開平８−２０７１７２号公報 特開２００６−９６００４号公報

上述の特許文献３の方法では、耐久性被膜によって、パイプ金型と駒とが接触する接触面の磨耗防止には効果が現れている。しかし、構造上、必ず耐久性被膜と離型性被膜の境界部分が存在することになり、この境界部分に磨耗や材料付着があるため、離型膜を長期間維持することが困難であった。また、図４（ａ）に示す成形金型１０１では、接触面１０６ａ、１０６ｂの端部は、キャビティ１０５と直接接することになる。そのような場合、接触面近傍まで材料が充填されることになり、離型性被膜が施されていない接触面への材料侵入や材料付着が起こりやすくなっていた。それにより、パイプ金型と駒との接触状態が悪化してキャビティを密閉することができなくなるため、成形品の不良発生が増加してしまうことも問題となっていた。

そこで本発明は、キャビティを形成する部材間の接触面への材料付着を低減することができ、長期にわたりキャビティ内面の離型膜状態を維持することができる弾性ローラの成形金型を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記に記載の弾性ローラの成形金型を用いた弾性ローラの成形方法を提供することも目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の弾性ローラの成形金型は、芯材と該芯材の周囲に積層された弾性層とを有する弾性ローラの成形金型であって、内面に離型膜を有し、前記弾性層の材料が充填されるキャビティが形成された、弾性ローラの成形金型において、中空の円筒状に形成され、前記キャビティを形成するパイプ金型と、該パイプ金型の中心軸上で前記芯材を保持するために前記パイプ金型の両端部に設けられ、前記キャビティの一部を形成する一対の駒とを有し、前記一対の駒が、前記パイプ金型の上端部を閉鎖するように設けられた上駒と、少なくとも上端部が開口した円筒状に形成され、前記パイプ金型の下端部に設けられた下駒とを有し、前記パイプ金型の上端部内周面と前記上駒の外周面との間、および前記パイプ金型の下端部外周面と前記下駒の上端部内周面との間には、それぞれ気密な接触面が形成され、前記各接触面に沿って該各接触面に隣接する領域には、前記キャビティに開口し、内面に前記離型膜を有する材料液緩衝空間が形成されていることを特徴とする。

また、上述した目的を達成するために、本発明の弾性ローラの成形方法は、上記に記載の弾性ローラの成形金型を用い、前記弾性層の材料で前記キャビティを充填し、前記芯材の周囲に前記弾性層を形成させて弾性ローラを成形し、成形された前記弾性ローラを前記成形金型から脱型することを特徴とする。

以上、本発明によれば、キャビティを形成する部材間の接触面への材料付着を低減することができ、長期にわたりキャビティ内面の離型膜状態を維持することができる弾性ローラの成形金型と、その成形金型を用いた弾性ローラの成形方法を提供することができる。

以下に、図を参照しながら、本発明の成形金型の実施形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態における成形金型を示す。図１（ａ）は、本実施形態における成形金型の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）において円で囲まれた領域付近の拡大断面図である。

本実施形態における成形金型１は、中空の円筒状に形成されたパイプ金型２と、パイプ金型２の中心軸上で芯材８を保持するためにパイプ金型２の両端部に設けられた一対の駒３、４とを有している。パイプ金型２の上端部には、上端部を閉鎖するように上駒３が設けられ、パイプ金型２の下端部には、少なくとも上端部が開口した円筒状に形成された下駒４が設けられている。これらが型組みされて、弾性層材料を充填するためのキャビティ５が、成形金型１内部に形成されている。

パイプ金型２の上端部内周面および下端部外周面は、それぞれテーパ状に形成されており、これらの面と接触するように、上駒の外周面および下駒の上端部内周面も、それぞれテーパ状に形成されている。これらが互いに接触することで、接触面６ａ、６ｂを形成している。接触面はそこで気密性を有すれば良く、接触面の形状はテーパ状に限定されるものではなく、単純に平面と平面を接触させてもよい。例えばパイプ金型２の上端部に平面を形成しておき、該平面と上駒のキャビティ側端面とを接触させて接触面とすることもできる。

各接触面６ａ、６ｂは、高精度に密着して気密性を有しており、空気が通過できないようになっている。また、各接触面６ａ、６ｂに沿って接触面６ａ、６ｂに隣接する領域には、キャビティ５に開口する材料液緩衝空間（以下、空間とする）７ａ、７ｂが形成されている。キャビティ５の内面には従来の成形金型でも使用されていた離型膜が施されているが、空間７ａ、７ｂを構成しているすべての面（図１（ｂ）中斜線部）にも同様の離型膜が施されている。

一方で、図２は、成形する弾性ローラの弾性層材料が発泡材料の場合に用いる成形金型１１の断面図を示している。この成形金型１１の場合、上述のパイプ金型２および上駒３に加えて、下端部が開口した下駒１４の下端部に、上端部が開口した円筒状に形成されたカップ９を設けることで、キャビティ１５が形成されている。また、下駒１４の下端部外周面とカップ９の上端部内周面との間には、上記の構成と同様な、気密な接触面６ｃと、内面に離型膜を有する材料液緩衝空間（以下、空間とする）７ｃとが形成されている。

弾性層材料がカップ９に注入され発泡していくが、成形金型１１に弾性層材料が充填される過程で空間７ａ−７ｃに材料が侵入してきても、気密な接触面６ａ−６ｃによって、この空間に存在する空気が接触面６ａ−６ｃを通じて金型外部へ抜けることがない。そのため、空間７ａ−７ｃ内の空気は、弾性層材料が侵入するにつれ圧縮されるため空気圧が高まり、材料侵入時の弾性層材料の発泡液圧と均衡するので、接触面６ａ−６ｃまで材料が到達することがない。したがって、接触面６ａ−６ｃには材料が付着することがなくなり、キャビティの密閉性を良好な状態に保つことができ、成型品の不良発生を減少させることができる。また、空間７ａ−７ｃにも離型膜が施されているため、離型膜の境界部分、つまり、空間７ａ−７ｃと接触面６ａ−６ｃとの境界部分にも材料付着は起こらなくなる。それにより、キャビティ５、１５内面の離型膜の状態を長期間維持することが可能となり、長期にわたり成形品を安定して成形することが可能となる。一方、接触面６ａ−６ｃには離型膜を施す必要がないため、磨耗処理を施すことができ、磨耗に強い表面処理もしくは金型母体そのものを利用することが可能となる。

空間７ａ−７ｃの大きさや形状は特に限定されるものではなく、使用する環境によって適宜選択することができる。例えば、図１および図２に示すように、接触面６ａに隣接し、パイプ金型２の軸方向に延びる第１の部分７１ａと、パイプ金型２の半径方向に延び、キャビティ５に開口する第２の部分７２ｂとを有することができる。空間７ａ−７ｃに求められる機能は、空間７ａ−７ｃに侵入してきた弾性層材料が接触面６ａ−６ｃに付着しないようにすることである。つまり、弾性層材料がカップ９に注入されて発泡し、キャビティ内に充填されていく過程で、キャビティに向かって開口している空間７ａ−７ｃにも弾性層材料は侵入していく。しかし、空間７ａ−７ｃのキャビティに開口している側とは反対側は密閉された状態にあるため、空間７ａ−７ｃに存在した空気は圧縮されて高圧になる。一方、発泡して空間内に侵入しようとする弾性層材料の液圧が相対的に高ければ、空間７ａ−７ｃに弾性層材料は侵入するが、徐々に圧縮された空気圧は高まり、液圧と均衡する。均衡すれば、侵入に要するエネルギーはなくなるので、当然弾性層材料の侵入は止まる。したがって、この空間７ａ−７ｃには必ず、圧縮された空気が存在し、密閉側に弾性層材料の侵入はないので、課題において懸念した接触面の汚れは発生しない。空間７ａ−７ｃの大きさは、成形時の温度やキャビティ充填時の圧力等の成形条件が既値であるので、ボイルの法則を適用して決めればよい。ただし、空間７ａ−７ｃが大きすぎると、成形金型自体が大きくなり、周辺装置の巨大化、コスト高に繋がるため好ましくない。空間７ａ−７ｃが小さすぎる場合も、成形金型の傾きや振動等の外乱の影響により弾性層材料が接触面６ａ−６ｃに侵入することがあるため、同様に好ましくない。

離型膜は特に限定されるものではなく、離型性を有する膜であればよく、例えば、一般に公知であるフッ素樹脂等からなるコーティング層を使用することができる。また、ここでは、離型膜と表記したが、キャビティ５、１５を構成する部材の材料自体に離型性を有するフッ素樹脂等を用いてもよい。ただし、離型膜の役割は、単に離型性を向上させるだけでなく、ローラ弾性層の表面状態の調整もしているため、離型膜は、離型性とローラ弾性層の表面状態を維持する機能とを有する必要がある。

金型の材質は特に限定されるものではなく、適宜選択することができる。例えば、鉄等の鋼材にニッケルやクロム等のメッキを施した金属材料や、鉄、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、プリハードン鋼等の金属材料等を用いることが可能である。またこれら以外にも、ポリカーボネート、ポリアミド等の合成樹脂やフッ素樹脂等の離型性が高い樹脂、セラミック等を使用することもできる。

次に、本実施形態の成形金型を用いた弾性ローラの成形方法について、図１を参照して簡単に説明する。

芯材８を上駒３、下駒４にセットし、それらをパイプ金型２に組み付けた成形金型１のキャビティ５に、下駒４に設けられた注入口（図示せず）より弾性層材料を注入する。注入された材料は、上駒３の方向に向かって流動し、キャビティ５に充填されていく。弾性層材料が発泡材料の場合は図２に示す成形金型１１を用いるが、まず、発泡材料をカップ９に受けた後で、成形金型１１を型組みする。材料は下駒１４内部を流れ、上駒３の方向に向かって流動し、キャビティ１５に充填されていく。

図２に示す成形金型１１の場合は、カップ９に注入した材料の自然発泡によって、弾性層材料のキャビティ１５への充填は行われる。したがって、上述したように、材料の発泡圧と空間７ａ−７ｃ内の圧縮空気の空気圧との均衡によって、接触面６ａ−６ｃへの材料液の侵入は阻止される。一方、発泡しない材料の場合は、キャビティへの充填は圧力をかけて行われる。したがって、本実施形態の成形金型の空間構造によって、この充填圧と空間内の空気圧との間で均衡が起こり、材料液の接触面への侵入は阻止されることになる。

材料の硬化が完了し、上駒３および下駒４とパイプ金型２とのバラシを行い、硬化した材料をパイプ金型２から脱型して、所望の弾性ローラが成形されることになる。こうして得られた弾性ローラ５０を図３に示す。

空間７ａ、７ｂの内面には離型膜が処理されているため、空間に侵入した少量の材料は容易に除去することができる。もちろん、接触面６ａ、６ｂには材料付着等の汚れは発生しない。そのため、離型膜や金型に関する維持管理作業も大幅に削減することができ、コスト削減にも効果的となる。

本実施形態の弾性ローラの成形金型を使用すれば、金型精度が弾性ローラの精度となるため高精度な、振れ、真円度、円筒度の弾性ローラを形成することが可能となるので、要求精度の厳しい画像形成装置用の弾性ローラとして使用することができる。もちろん精度要求がそれほど厳しくない一般弾性ローラとして使用してもよい。弾性ローラに機能を付加する場合は、芯材上に積層形成された発泡弾性層の上に、各用途のための機能に応じた機能層を付与する。例えば、帯電ローラとして機能するための表層等を機能層として付与することで、高精度な画像形成装置用の帯電ローラを得ることができる。機能層を付与する方法としては、塗工や薄膜チューブの被覆を施す等の公知技術を利用することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

［実施例１］
本実施例では、成形金型として、図２に示す構成の成形金型１１と基本的に同様の金型を用いた。パイプ金型２、上駒３および下駒１４、カップ９の外径はφ２６ｍｍ、パイプ金型２の内径はφ１３ｍｍである。

キャビティ１５および各空間７ａ−７ｃの内面には、離型膜としてフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））コーティングを施した。接触面６ａ−６ｃには離型膜を施さず、金属母体をそのまま接触面６ａ−６ｃとした。

金型の材質として、パイプ金型２にはステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を、上駒３、下駒１４、およびカップ９にはプリハードン鋼（ＨＰＭ３８）を用いた。

次に、成形した発泡弾性ローラの弾性層材料と成形条件、成形の手順を示す。

まず、混合ポリオールとして、表１に示す材料を準備して、それらを混合した。

その後、表１に示すイソシアネートＡおよびイソシアネートＢをＮＣＯインデックス１００となるように混合攪拌したものを弾性層材料とした。

パイプ金型２にφ５×２６０ｍｍの芯材８と上駒３、下駒１４を組み付け、７０℃に予熱した。その後、混合攪拌した弾性層材料を７０℃に予熱したカップ９に注入し、直ちに、組み付け・予熱した上記成形金型にセットした。

注入した弾性層材料は発泡材料であることから、自然発泡によりキャビティ１５は上記材料で充填される。その後、１０分間、７０℃に温度制御された熱盤において硬化させ、カップ９、下駒１４および上駒３をパイプ金型２から取り外し、パイプ金型２内の成形したローラを押し出して脱型した。その後、所定の寸法になるように成形したローラ両端部の余分な弾性層を切除し、図３に示すような形状の発泡弾性ローラ５０が得られた。発泡弾性ローラ５０の弾性層外径はφ１３ｍｍであり、長さは２２０ｍｍである。

本実施例では、発泡弾性層材料が各接触面６ａ−６ｃまで到達することなく空間内で留まった状態で、成形を行うことができた。また、硬化した発泡弾性層材料も成形金型１１から容易に脱型することができた。脱型後、キャビティ１５内面に材料付着等の汚れは確認されなかった。この成形を繰り返し行っても、接触面６ａ−６ｃの汚れは確認されず、良好な成形を続行することができ、成形品にも特に影響見られず、安定して良品を成形することができた。

［比較例１］
成形金型として、図４（ｂ）に示す構成の、従来の成形金型１１１と基本的に同様の金型を用いた以外は、実施例１と同様の手順で発泡弾性ローラの成形を行った。離型膜は、各接触面１０６ａ−１０６ｃおよび外周面以外の部分に、実施例１と同じフッ素樹脂コーティングを施した。

本比較例では、離型膜の剥離は確認できなかったが、接触面１０６ａ−１０６ｃと離型膜との境界部分の材料付着が成形毎に積み重ねられ、脱型時に成形品端部を引きちぎってしまう等の現象が発生した。付着した材料を除去するために清掃作業を行うと、処理した離型膜が削れてしまい、さらに材料が付着しやすくなるという悪循環が発生した。

本発明の一実施形態における弾性ローラの成形金型を示す断面図である。 本発明の一実施形態における弾性ローラの成形金型の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態の成形金型を用いて成形された弾性ローラの概略斜視図ある。 従来の弾性ローラの成形金型を示す断面図である。

符号の説明

１、１１ 成形金型
２ パイプ金型
３ 上駒
４、１４ 下駒
５、１５ キャビティ
６ａ−６ｃ 接触面
７ａ−７ｃ 空間
８ 芯材
１０ 弾性層
５０ 弾性ローラ

Claims (3)

1. 芯材と該芯材の周囲に積層された弾性層とを有する弾性ローラの成形金型であって、内面に離型膜を有し、前記弾性層の材料が充填されるキャビティが形成された、弾性ローラの成形金型において、
   中空の円筒状に形成され、前記キャビティを形成するパイプ金型と、該パイプ金型の中心軸上で前記芯材を保持するために前記パイプ金型の両端部に設けられ、前記キャビティの一部を形成する一対の駒とを有し、
   前記一対の駒が、前記パイプ金型の上端部を閉鎖するように設けられた上駒と、少なくとも上端部が開口した円筒状に形成され、前記パイプ金型の下端部に設けられた下駒とを有し、
   前記パイプ金型の上端部内周面と前記上駒の外周面との間、および前記パイプ金型の下端部外周面と前記下駒の上端部内周面との間には、それぞれ気密な接触面が形成され、前記各接触面に沿って該各接触面に隣接する領域には、前記キャビティに開口し、内面に前記離型膜を有する材料液緩衝空間が形成されていることを特徴とする弾性ローラの成形金型。
2. 請求項１に記載の弾性ローラの成形金型を用い、前記弾性層の材料で前記キャビティを充填し、前記芯材の周囲に前記弾性層を形成させて弾性ローラを成形し、成形された前記弾性ローラを前記成形金型から脱型することを特徴とする弾性ローラの成形方法。
3. 前記弾性層の材料が熱硬化性ポリウレタン発泡体であることを特徴とする、請求項２に記載の弾性ローラの成形方法。

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