JP3061294B2 - 電気部品とその形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、概ね、電流を導くコネクタ、
スイッチ及びセンサのような電気部品に関する。詳細に
は、正しく作動するために電気装置を必要とする様々な
種類の機械装置その他の用途において役立つそのような
部品に関する。より詳細には、当該電気部品は、ポリマ
ーマトリックス内に多数の小径導電繊維を有する引出成
形された複合部材であり、当該繊維は、ポリマーマトリ
ックス内において、部材の軸方向に対して平行な方向に
方向付けされ、部材の一端から他端まで連続し、部材の
一端は、繊維分解されたブラシ状構造を有するようにさ
れる。このような電気装置を使用する可能性のある典型
的な種類の機械装置は、静電写真式印刷機である。

【０００２】今日普通に使用されている静電写真式印刷
機において、光導電絶縁部材は、一般的に、均一な電位
まで帯電され、その後、複製されるべき原稿の光画像に
対して露光される。その露光は、露光を受けた光導電絶
縁面或いは背景区域を放電させて、原稿の中に含まれて
いた画像に対応する静電潜像をその部材の表面に形成す
る。代替的に、光線が、変調され、帯電した光導電面の
部分を選択的に放電させ、その表面に所望の情報を記録
するように使用されることも可能である。一般的に、そ
のようなシステムはレーザ光線を採用している。続い
て、光導電絶縁面上の静電潜像は、当該分野においてト
ナーと呼ばれている現像剤粉末によって画像を現像する
ことにより可視化される。大抵の現像システムは、帯電
したキャリア粒子と、そのキャリア粒子に対して摩擦電
気的に付着する帯電したトナー粒子との両者からなる現
像剤を採用している。現像において、トナー粒子は、光
導電絶縁区域の画像区域の帯電パターンによってキャリ
ア粒子から誘引されて、光導電区域の表面に粉末画像を
形成する。このトナー画像は、続いて、コピー用紙のよ
うな支持体面に転写され、加熱又は圧力の印加によって
それに対して永続的に定着され得る。

【０００３】そのような製品の商業的な用途において、
光導電部材は、一般的に、原稿からの高速で多数の複製
を許容すべく、高速運動するベルト又はドラムの形態を
有して形成されてきた。これらの状況において、運動す
る光導電部材は、電子写真プロセスにおいて生じる総て
の正当でない電流のための接地通路を準備すべく、電気
的に接地されなければならなかった。これは、典型的に
は、導電繊維からなる接地ブラシと接触している導電ベ
ルト又はドラムの一方の側面上における接地片という形
態を採ってきた。或る種のブラシには繊維が小径かつ脆
弱であるという欠点があり、それ故、そのようなブラシ
は自動複写機において特に高電圧充電装置に関する問題
を生じ得るような抜毛を起こしがちであり、抜毛した導
電繊維が充電ワイヤに接触すると、それはワイヤに過熱
点を生じさせるアーク放電を起こす傾向があり、ワイヤ
の融解及びコロトロンの破壊を引き起こしてしまう。こ
れは、破壊的で回復不能な損傷であり、訓練を受けたオ
ペレータによる機械装置に関する定期的でないサービス
を必要とすることになる。更に、その繊維は、装置を汚
染して、コロナ放電の一様性を破壊し得る。

【０００４】更に、そのような製品の商業的な用途にお
いては、機械装置内の様々な部所に対して動力及び／又
は論理信号を分配することが必要である。伝統的には、
これは、自動装置における様々な機能要素に対して動力
及び論理信号を分配するために、従来通りの配線及びワ
イヤリングハーネスを各機械装置において利用するとい
う形態を採ってきた。そのような分配システムにおいて
は、配線と部品の間に電気コネクタを準備することが必
要である。加えて、例えば、コピー用紙や原稿等の位置
を検出するために、センサ及びスイッチを準備すること
も必要である。同様にして、インタロック等のようなそ
の他の電気装置も準備され、機能を有効にしたり無効に
したりする。

【０００５】これらの機能を果たす最もありふれた装置
は、電流を一個所から他の個所へ導く導電通路を準備す
るため、伝統的に金属間接触に依存してきた。この長い
間の従来通りのアプローチは多くの用途において非常に
効果的であったが、それにも関わらず幾つかの困難に直
面している。例えば、金属接点の片方又は両方は、金属
の酸化による絶縁被膜の形成によって時間の経過と共に
劣化してしまう可能性がある。この被膜は、機械的な接
触力によって或いは他方の接点に存在する低エネルギー
（５ボルト、１０ミリアンペア）の動力によっては、貫
通され得るものではないかも知れない。このことは、シ
ュプリンガー−フェアラーク（Springer-Verlag ）によ
って出版された「ホルム電気接点(Holm, Electric Cont
acts）」１９６７年第４版１ページによれば、例え接点
が無限に堅固な場合であっても力によっては局所的な数
個所以上に接触を生じさせることはできないという事実
によって複雑になる。更に、腐食した接点は、装置内の
敏感な回路を混乱させ得る無線周波干渉（ノイズ）の原
因になり得る。加えて、従来通りの金属間接触は、機械
装置の環境における塵埃その他の異物による汚染に対し
て敏感である。静電写真式印刷機において、例えば、ト
ナー粒子は、機械内において概ね空中に浮遊し、そのよ
うな接点の１つ以上の上に集積して堆積するかも知れな
い。印刷機におけるもう１つの一般的な汚染物質は、定
着器の剥離剤として普通に使用されているシリコン油で
ある。この汚染もまた、必要な金属間接触を妨げるに十
分なものであり得る。従って、この直接的な金属間接触
は、特に低エネルギー状況では信頼性が低くなる。特に
低エネルギー用途において、そのような接点の信頼性を
高めるために、接点は、以前は、高価な希土類元素によ
って、更に、金、パラジウム、銀、ロジウム等のような
貴金属によって、或いは、パラジウムニッケルのように
特別に開発された合金によって作られてきたが、或る種
の用途では、真空内に配置され、密封されてきた。加え
て、殆どの金属が正の熱伝導係数を有して、電流密度の
増大によって接触点が加熱するとき接点は導電性が低く
なることによって更に高温になり終には燃え尽きて融解
するので、金属接点は自己破壊的であり得るものであ
り、焼き切れてしまうことになる。電流密集現象が電流
伝導より優勢になると、最終的破損が続いて起こるかも
知れない。汚染に対する敏感さの結果として信頼され得
ないことに加えて、伝統的な金属接点及び特に滑り接点
は、長期的には摩耗に関しても敏感である。

【０００６】

【先行技術】ルイス（Lewis)らの米国特許明細書第４，
３４７，２８７号は、繊維補強物質の連続長が樹脂マト
リックス物質で含浸され、その後、剛性部分に含浸する
マトリックス物質を硬化させ可撓性部分に含浸するマト
リックス物質を除去することによって、剛性部分及び可
撓性部分の交互の連続列に成形されるようにした、分節
して引出成形される形状を成形するシステムを示してい
る。このマトリックス物質は熱硬化性樹脂であり、繊維
補強物質は、ガラス、グラファイト、ホウ素、又はアラ
ミド繊維であり得る。

【０００７】ウィルズドーフ（Wilsdorf）の米国特許明
細書第４，３５８，６９９号は、ブラシの作動表面にお
いて対象物に接触すべく非常に小径の繊維ワイヤを非常
に多く形成することによって、ブラシの電気的特性が繊
維ワイヤによって制御されるようにした、汎用電気繊維
ブラシ並びにその製法を示している。量子力学的トンネ
ル効果が電流伝導の優勢な機構になることが期待されて
おり、ブラシの摩耗が非常に軽度であると同時に非常に
良好なブラシ性能を提供することになる。

【０００８】

【発明の要約】本発明は、ポリマーマトリックス内に多
数の小径導電繊維を有する引出成形された複合部材であ
って、当該繊維は、マトリックス内において部材の軸方
向に対して実質的に平行な方向に方向付けされ、部材の
各端部に多数の潜在的電気接点を準備すべく部材の一端
から他端まで連続し、部材の一端は、繊維分解された多
数の繊維からなるブラシ状構造を有して高密度に配分さ
れるフィラメント接点を提供するようにした、前記引出
成形複合部材を含んでおり、ブラシ状構造内において終
端する繊維の端部が電気的接触面を形成するようにし
た、他の部品との電気的接触を形成する部品に導かれる
ものである。一般的に、この装置は、スイッチ、セン
サ、又はコネクタである。

【０００９】本発明の更なる特徴によれば、ブラシ状構
造の繊維は実質的に均一な自由繊維長を有し、引出成形
部分とブラシ状構造の間には良好に区画制御された境界
帯域がある。

【００１０】〔図面の簡単な説明〕図１（ａ）は、ポリ
マーマトリックスを一端から除去せしめて、それぞれが
繊維径に比べて相対的に長いものであり、変形するとき
一団として行動することになる個々の繊維を露出させる
ようにした、引出成形される複合部材を示す断面図であ
る。 図１（ｂ）は、図１（ｂ）における断面の一部を示して
いる拡大図である。 図２（ａ）は、一端が繊維径に比較して非常に短い長さ
だけ繊維分解され、それらの終端部が相対的に剛性の高
い接触面を準備するようにした、引出成形される部材の
補足的な実施例を示している断面図である。 図２（ｂ）は、図２（ａ）における断面の一部を示して
いる拡大図である。 図３は、引出成形された部材がその一部をレーザで繊維
分解させるべく載置され得るプログラム可能な土台を示
している概略図である。 図４は、本発明を光導電接地ブラシとして組み込むこと
ができる自動静電写真式印刷機を示している断面図であ
る。 図５は、レーザで繊維分解された引出成形接点と引出成
形接点とを有するセンサの図である。 図６は、運動している光導電面と接触している光導電接
地ブラシを側面から示している、拡大図である。

【００１１】〔発明の詳細な説明〕本発明によれば、大
きく向上した信頼性を有し、低コストで容易に製造可能
であり、低エネルギーシステムにおいても確実に機能し
得る、スイッチ、センサ、コネクタ、インタロック等の
ような電流を導くための様々な電気装置が提供される。
更に、これらの電気装置は、電気的な機能を果たして、
機械的又は構造的な機能を提供することも可能である。
以上の利点は、引出成形として周知である製造プロセス
と引出成形物の少なくとも一端の繊維分解との利用によ
って可能にされるものである。

【００１２】本発明によれば、電気部品は、一端におい
て他の部品との高密度配分されたフィラメント接点を提
供するようにした繊維分解されるブラシ状構造を有する
引出成形された複合部材によって形成される。高密度配
分されるフィラメント接点という用語は、非常に高レベ
ルの接触冗長性を規定して、接触部品が２０００本を越
える個々の導電繊維を有することによって他の接触面と
の電気的接触を保証するということを意図としている。
レーザを使用する実施例では、引出成形部材は、１段階
のプロセスで個々の部分に切断されて繊維分解されるこ
とが可能である。このレーザ繊維分解は、低コスト、長
寿命で、生起する電気的ノイズは軽度であり、抜毛を起
こさず、固体物質のように機械加工され得るが、長期間
装着できて容易に取替え可能な汚染のない導電接点を準
備する電気接点を作り出す、迅速かつ清潔でプログラム
可能なプロセスを提供することになる。一方において、
それは、ブラシ状構造が個々の繊維の直径より何倍も大
きな長さを有することによって変形されるとき電気的に
一団として行動する弾力的に屈曲可能なブラシを提供
し、それによって電気接触における所望レベルの冗長性
を準備するようにした、電気接点を作り出す能力を有す
る。更に、それは、ブラシ状繊維が繊維の直径の５倍よ
りもずっと短い長さを有して、終端部が相対的に剛性の
高い接触面を準備するようにした、ミクロ状構造を提供
するという利点をも有する。

【００１３】引出成形プロセスは、概ね、繊維の連続長
を樹脂浴又は含浸剤を介して引出すことと、次に、その
区域が部分的に成形されて過剰な樹脂及び／又は空気が
除去される予備成形安定剤の中に入れられることと、次
に、その区域が連続的に硬化される加熱したダイス型の
中に入れられることから構成される。一般的に、このプ
ロセスは、引出成形される形状のガラス繊維強化プラス
チックを形成するために使用されている。引出成形技術
の詳細な説明に関しては、ニューヨークのチャップマン
・アンド・ホール（Chapman and Hall,New York）によ
って１９８５年に初版が出版されたレイモンド・Ｗ．メ
イヤー（Raymond W. Meyer）による「引出成形技術ハン
ドブック（Handbook of Pultrusion Technology)」が参
考として挙げられる。本発明の実行においては、導電カ
ーボン繊維がポリマー浴に浸漬され、高温の適切な形状
のダイス型開口部を介して引出され、切断され成形され
機械加工され得るダイス型の寸法及び形状の固体片を作
り出すことになる。結果として、数千の導電繊維要素が
ポリマーマトリックスの中に包含され、それらの端部が
表面に露出されて、電気接点を提供するのである。電気
接点に関するこの非常に大きな冗長性と利用可能性が、
これらの装置の信頼性における実質的な改良を可能にす
る。多数の小径導電繊維が連続長としてポリマー浴及び
加熱ダイス型を介して引出されるので、成形される部材
は、部材の一端から他端まで連続して、樹脂マトリック
ス内において部材の軸方向に対して実質的に平行な方向
に方向付けされるようにした繊維と共に成形される。
「軸方向」という用語は、引出成形プロセスにおいて当
該形状の主要軸に沿った縦方向即ち長手方向にあること
を規定するように意図されている。従って、引出成形さ
れる複合材は、引出成形プロセスにおいて当該形状の連
続長に成形されて、適切な寸法に切断され得るものであ
り、各端部において非常に多くの潜在的な電気接点を提
供するのである。これらの引出成形された複合部材は、
続いて、端部の一方又は両方を繊維分解せしめることが
可能である。

【００１４】本発明の実際においては、適当な繊維であ
ればどのようなものでも使用され得る。典型的に、これ
らの導電繊維は、約１×１０^-5から約１×１０¹⁰オーム
ｃｍという直流体積抵抗率を有するが、抵抗損を最小限
にして無線周波干渉（ＲＦＩ）を抑えるためには約１×
１０^-3から約１０オームｃｍであることが望ましい。し
かし、電子装置の入力インピーダンスが十分に高い場合
には、抵抗率の高い材料も使用され得る。加えて、個々
の導電繊維は、概ね断面が円形であり、概して約４ミク
ロンから約５０ミクロンのオーダーにある直径を有する
が、それは小さな断面積で非常に高度の冗長性を準備す
る約７から１０ミクロンであることが望ましい。これら
の繊維は、一般的に、可撓性のものであり、ポリマー組
織と融和性があるものである。典型的な繊維には、カー
ボン、カーボン／グラファイト、金属溶射され或いは金
属被覆されるカーボン繊維及び金属被覆されるガラス繊
維が包含される。

【００１５】使用され得る特に好適な繊維は、制御熱処
理プロセスによって、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）
前駆物質繊維を完全又は部分的に炭化させて獲得される
繊維である。そのような繊維は、或る範囲内において炭
化の温度を慎重に制御することによって、炭化されたカ
ーボン繊維に関して正確な電気抵抗が獲得され得ること
が判明した。ポリアクリロニトリル前駆物質繊維からの
カーボン繊維は、スタックポール社（Stackpole Compan
y ）、セリオン・カーボン・ファイバーズ社（Celion C
arbon Fibers, Inc.）、ビーエーエスエフ社の事業部
（division ofBASF）その他によって、１，０００本か
ら１６０，０００本のフィラメントの糸束として商業ベ
ースで製造されている。それらの糸束は、ＰＡＮ繊維を
酸素雰囲気において３００℃というオーダーの温度で安
定化させて、事前に酸素安定化されたＰＡＮ繊維を作り
出すことと、続いて不活性（窒素）雰囲気において高温
で炭化させることを包含する２段階プロセスにおいて炭
化される。結果として生じる繊維の直流電気抵抗は、炭
化の温度を選択することによって制御される。例えば、
約１０² から約１０⁶ オームｃｍという電気抵抗を有す
るカーボン繊維は炭化温度が凡そ５００℃から７５０℃
の範囲で制御される場合に獲得されるものであり、約１
０^-2から約１０^-3オームｃｍという直流抵抗を有するカ
ーボン繊維は１８００から２０００℃の処理温度の結果
として生じるのである。これらの炭化される繊維の製造
において採用され得るプロセスを更に参照すると、ユー
イング（Ewing）らの米国特許明細書第４，７６１，７
０９号とその文中においてコラム８で引用された文献が
注目される。典型的に、これらのカーボン繊維は、大抵
の鋼材より高いものである凡そ３千万〜６千万ｐｓｉ即
ち２０５−４１１ＧＰａという引張り応力を有すること
によって、非常に強固な引出成形複合部材を可能にする
のである。ポリアクリロニトリル繊維のこの高温変換
は、不活性であって、酸化環境において高エネルギー用
途で使用されるときに、繊維端部の接点を汚染しない気
体である一酸化炭素又は二酸化炭素だけを生じることに
なる凡そ９９．９９％の単体炭素である繊維を結果とし
て生み出すのである。

【００１６】導電カーボン繊維を使用することの利点の
１つは、それらが負の熱伝導係数を有するので、個々の
繊維は熱くなると導電性が高くなるということである。
このことは、金属が丁度反対に作用して、それ故に金属
接点は焼き切れたり自己破壊しがちであるので、金属接
点に対しての利点を提示するのである。１０⁵ （オーム
ｃｍ）^-1のオーダーという非常に高い導電性が所望され
る特定の用途においては、繊維が、ニッケル、銀、又は
金のような金属で金属溶射されるか又は鍍金されること
も可能である。カーボン繊維は、その表面が本質的にざ
らざらしていて多孔性である故に鍍金される金属の良好
な付着を準備することになるという点において更なる利
点を有する。

【００１７】本発明を実施する際には、適当なポリマー
マトリックスであればどのようなものでも使用され得
る。このポリマーは、絶縁性であっても導電性であって
も構わない。引出成形物の端部において最適の導電性が
所望される場合には、導電性ポリマーが使用され得る。
逆に、引出成形物の端部において絶縁特性が所望される
場合には、絶縁性ポリマーの厚い層が使用されるか、又
は絶縁性の繊維が引出成形される形状の外周に使用され
ることも可能である。

【００１８】典型的には、ポリマーは、構造材である熱
可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂のグループから選択され
る。ポリエステル、エポキシ、及びビニルエステルが概
ね適切な材料であり、短い硬化時間と相対的な化学的不
活性の故にビニルエステルが好適である。エラストマー
マトリックスが所望される場合には、シリコン、フッ化
シリコン、又はポリウレタンエラストマーが、エラスト
マーマトリックスを提供することが可能である。典型的
な特殊材料には、オシュランド・オイル社（Oshland Oi
l, Inc. ）から入手可能なヘトロン（Hetron）６１３、
ヘトロン９８０、アルポル（Arpol ）７０３０及び７３
６２、コッパーズ社（Koppers Company,Inc.）から入手
可能なディオン・アイソ（Dion Iso）６３１５、及びヴ
ェストロン社（Vestron Corporation)から入手可能なシ
ルマー（Silmar）Ｓ−７９５６が包含される。適切な樹
脂に関する補足的な情報に関しては、既に引用したメイ
ヤーによるハンドブックの第４章が注目される。必要に
応じて耐食性や耐燃性のような特性を準備するために、
その他の材料がポリマー浴に加えられることも可能であ
る。加えて、ポリマー浴は、炭酸カルシウム、アルミ
ナ、シリカのような充填材、特定の色彩を提示する顔
料、又は例えば滑り接点における摩擦を低減するための
潤滑剤等を包含することも可能である。更に、粘性や表
面張力を変化させたり、架橋形成や引出成形物の他の材
料への結合を支援したりする添加物が加えられても良
い。当然ながら、繊維が糊付けを適用される場合には、
融和性のあるポリマーが選択されるべきである。例え
ば、エポキシ樹脂が使用される場合には、繊維にエポキ
シ糊付けを加えて接着を増進させることが適切であろ
う。

【００１９】ポリマーマトリックス内への繊維の装填量
は、最終的な形状における断面積その他の機械的特性ば
かりでなく、所望される導電性にも依存する。一般的
に、これらの樹脂は約１．１から約１．５の比重を有す
るが、これらの繊維は約１．７から約２．２の比重を有
するものである。繊維は重量パーセントで引出成形部品
の５％程度の量だけ存在しても構わないが、これまで述
べてきたレベルの導電性を与える際、典型的には、引出
成形複合部材は重量パーセントで５０％以上が繊維であ
り、７０％又は９０％以上さえも繊維であることが望ま
しいのであって、繊維の装填量が大きくなれば、接点
が、より低い体積抵抗率、より高い剛性及びより強固な
部品を有するように多くの繊維が提供されるのである。
一般的にマトリックスの導電性を高めるためには、追加
の導電繊維が加えられることが可能である。

【００２０】引出成形複合部材は、例えば、メイヤーに
よる「引出成形技術ハンドブック」において説明された
ような引出成形技術に従って準備され得る。一般的に、
これは、導電カーボン繊維の連続的な多数フィラメント
のストランドを事前洗浄浴において事前洗浄する段階
と、次にその連続的なストランドを溶融ポリマー即ち液
体ポリマーを介して引出す段階と、次にそれを樹脂の硬
化温度にあるように加熱されたダイス型を介して炉乾燥
器の中へ引出して、必要に応じて切断位置又は巻取り位
置へ送る段階とを包含することになる。このプロセスに
関するこれ以上の完全な詳細に関しては、メイヤーが注
目されることになる。引出成形複合部材の所望される最
終的な形状は、ダイス型によって準備されるものであっ
ても良い。典型的には、引出成形物の断面は、円形、楕
円形、正方形、長方形、三角形等であり得る。或る種の
用途では、それは断面が不規則であったり、上記の形状
を有する管即ち円形のように中空であることも可能であ
る。導電性繊維及び非導電性繊維の区域を許容するその
他の形状もまた可能である。この引出成形物は、標準的
な機械工場の習慣に従って従来通りの超硬工具によって
機械加工され得るものである。引出成形複合部材には、
従来通りの機械加工技術によって、典型的には、孔、ス
ロット、隆起、溝、凸面又は凹面の接触区域、或いは、
ネジ山が形成されることも可能である。

【００２１】典型的には、繊維は、例えば、１本の糸に
ついて、１千本、３千本、６千本、１万２千本、又は１
６万本までのフィラメントを有する連続的なフィラメン
ト糸として供給されるものであり、成形された引出成形
部材の中において、１ｃｍ² 当たり、約０．５×１０⁵
から約５×１０⁵ の接点を準備することになる。

【００２２】個々に繊維分解された繊維から成る冗長性
の高い電気的接触面を有する電気部品は、適切な技術に
よって適切な断面を有する引出成形部材から製造され得
るものである。引出成形部材を繊維分解するための典型
的な技術には、引出成形部材の端部におけるポリマーマ
トリックスの溶剤除去及び熱除去が包含される。実施例
においては、繊維分解は、レーザ光線への露光によって
実行されている。熱除去プロセスにおいて、ポリマーマ
トリックスは繊維より低温の融解点又は分解点を有さな
ければならない。同様に溶剤除去プロセスにおいて、溶
剤はポリマーマトリックスを除去しなければならない
が、繊維とは反応しないものでなければならない。いず
れの場合においても、除去は、有意の量の残留物を残す
ことなく、実質的に完全でなければならない。典型的に
は、引出成形部材は、或る連続長において供給され、遥
かに小さな寸法の繊維分解された接点に分解されるの
で、レーザは、個々の部品を長いものから切断するため
に使用されると同時に切断された両方の端部を繊維分解
するためにも使用されて、前送りされる下流の引出成形
部材に冗長性の高い繊維接点を準備し、更に第２の引出
成形部材の上流端部にも冗長性の高い繊維接点を準備す
ることになる。典型的には、採用されるレーザは、ポリ
マーマトリックスが吸収することによって揮発すること
になるものである。更に、それらは、安全であって、パ
ルス型又は連続的な出力を有して迅速に切断するための
大きなパワーを有するものでなければならず、操作も比
較的容易でなければならない。特殊なレーザには、二酸
化炭素レーザ、ＹＡＧレーザ及びアルゴンイオンレーザ
が含まれるが、最も信頼度が高く、ポリマーマトリック
スの吸収と製造環境に最も適していて、最も経済的でも
あるので、二酸化炭素レーザが好適である。以下の具体
例は、本発明を説明するものである。

【００２３】直径が凡そ８ミクロンから１０ミクロンあ
って０．００１から０．１オームｃｍの抵抗率を有して
ビニルエステル樹脂マトリックスの中に１ｍｍにつき１
０，０００本以上の繊維という密度で存在するカーボン
繊維から形成された直径が２．５ｍｍのロッド形状を有
する引出成形物は、ロッドが１秒につき約１回転でロッ
ド軸の廻りにおいてゆっくりと回転される間に、０．５
ｍｍスポットに焦点を結ばれた６ワット連続波のレーザ
（アドキンモデル： AdkinModel：ＬＰＳ−５０）に対
して露光された。約１００秒の露光の後、１段階におい
て、レーザは、引出成形物をきれいに切断し、図１
（ａ）に示されたように剛性の導電性引出成形物に対し
て接続される「画筆状」の先端を残して、（両切片の）
フィラメント端部から数ミリメートルまでのビニルエス
テルバインダー樹脂を均一に揮発させた。

【００２４】３００ワット連続波で機能して凡そ毎分
７．５ｃｍで走査する大型のＣＯ₂ レーザ（コヒーレン
ト汎用モデル・エバーレイズ (Everlase) ５４８）を使
用すると、同じ材料で形成された１ｍｍ径の引出成形物
は、１秒以内で切断され繊維分解された。

【００２５】電気的接触面を備えて高密度に配分された
フィラメント接点を提供する引出成形複合部材の一端に
おいてレーザで繊維分解されたブラシ状構造を有する本
発明に従った電気部品の実施例を示している図１（ｂ）
及び図２（ｂ）が注目される。上述した連続的な引出成
形物によれば、ブラシ状構造は、少なくとも２０００本
／ｍｍ² の繊維という繊維密度を有し、電気接点の高レ
ベルの冗長性を準備するために、実際には１５，０００
本／ｍｍ² を越える繊維密度を有することも可能である
ことが理解されるであろう。そのようなレベルの繊維密
度が図１（ａ）及び図２（ａ）において正確に描写され
ることは不可能であることが、認識されるであろう。し
かし、図１（ｂ）及び図２（ｂ）の拡大図は、ブラシ状
部材の繊維が実質的に均一な自由繊維長を有すること
と、引出成形区域とブラシ状区域の間にはレーザの精密
制御によって可能にされる良好に区画制御された境界帯
域が存在することを示している。

【００２６】図１（ａ）及び図１（ｂ）もまた、ブラシ
状構造の繊維が、繊維径の５倍より遥かに大きな長さを
有し、それ故に変形されるとき一団として弾性的に行動
する概ね弾力的に屈曲可能なものであるように成した電
気部品を示している。この種の電気部品は、例えば、既
に前述した光導電接地ブラシのような滑り接点等におい
て弾力的に屈曲可能な繊維から成る接点を有することが
望ましいというような用途において有用性を見出すであ
ろう。これらの接点においては、個々の繊維がこのよう
に微細で弾力的であるので、それらは他の接触面との接
触を保つことになり、金属的な接点で頻繁に起きるよう
に接点を跳ね上げたり壊したりするようなことはないこ
とが注目されるべきである。従って、それらは、物理的
な環境における軽微な崩壊にも関わらず、機能し続ける
のである。この種の大規模な繊維分解は、ブラシ状構造
の繊維が繊維径の約５倍より短い長さを有して、その終
端部が比較的に剛性が高くて変形しにくい接触面を準備
するように成して、図２（ａ）及び図２（ｂ）において
示された、より微小な繊維分解からは区別されるべきで
ある。この部品によれば、個々の部品には極小の撓みし
か存在しないことになり、それ故に、それらは、スイッ
チ及びマイクロスイッチ等のように固定接点を必要とす
る用途において有用性を見出すであろう。それにも関わ
らず、それらは、接触面を形成する個々の繊維から成る
大きな冗長性を備えて、信頼性の高い接点を提供するの
である。この微小な実施例においては、他の表面との均
一な接触及び係合面を準備すべく、引出成形区域とブラ
シ状構造の間における良好な境界帯域が維持されること
が特に重要である。これらの２つの帯域の間に良好な境
界設定がなくて、実質的に均一な自由繊維長がない場合
には、異なった接触圧力が接触面に存在することにな
り、従って、他の接点に対して不均一な表面を提示して
しまうのである。

【００２７】境界帯域 (zone of demarcation)という用
語は、繊維分解されたブラシ状構造と引出成形区域の間
において、分解したポリマー及び完全に繊維分解された
繊維という階調が存在している、熱影響を受ける帯域の
部分を規定するように意図されている。この熱影響帯域
においては、少量の引出成形物であっても、レーザによ
って生じる光誘導熱に接して、温度を実質的に上昇させ
るのである。高温接触帯域からの熱は、材料の熱伝導
性、レーザスポットにおけるエネルギー及び露光時間の
故に、材料の低温部分へ拡散する。動的加熱の間におい
て引出成形物の長手方向に沿って生じた温度プロフィル
が、境界帯域における分解したポリマーの階調を結果と
して生じるのである。

【００２８】繊維分解される引出成形物の自由繊維長
は、２．５４ｃｍ（１インチ）又はそれ以上のものであ
っても使用され得る。しかし、約５ミリメートル以上の
長さの自由繊維長は、他の従来型のブラシ構造組立技術
に比べて、ポリマーマトリックスを除去することと廃棄
することとの両方について余りにも経費が掛るので、実
用的ではないものとなる。静電的用途その他の電気的及
び電子的用途に関しては、約０．１ミリメートルから約
０．３ミリメートルの自由繊維長が好適である。微小な
実施例においては、繊維が識別されるには短すぎるの
で、繊維分解された端部は、固体物質のような感触にな
る。しかし、大規模な実施例では、それは、毛羽だった
ビロードや画筆のような感触がする。

【００２９】実施例に従った電気部品の製造において、
レーザ光線は、引出成形片に対して動かされる。このこ
とは、レーザ光線又は引出成形片を静止状態に保持し、
固定品目に対して他方を動かすことによって、或いは制
御されプログラムされる方式でレーザと工作物の両方を
同時に動かすことによって容易に達成され得るものであ
る。

【００３０】引出成形片４０がモータボックス４４内の
中心軸４３即ちモータシャフト（図示されていない）の
廻りに回転可能に装着されるテーブル４２に対して固定
されるという様式を概略的に図示している図３が注目さ
れる。加えて、そのテーブルは、モータボックス４４内
のもう１つのモータ（図示されていない）によるウォー
ム歯車装置４６の運動によってＸＹ平面において運動可
能である。レーザ走査キャリッジ４８は、レーザポート
５２を有するものであり、ウォームギア５６及びモータ
５８によって垂直方向に運動可能であり、ウォームギア
６０及びモータ６２によって水平方向に運動可能であ
る。テーブル４２及び走査キャリッジ４８の運動は、プ
ログラマブルコントローラ６４によって制御される。

【００３１】レーザで繊維分解される引出成形部材は、
電流を導くための装置における少なくとも１つの接触部
品を提供するために使用され得る。更に又は代替的に、
両方の接点が、同様に或いは異なって引出成形されて繊
維分解される引出成形複合部材から形成されることも可
能である。代替的に、一方の接点は、引出成形部材では
あるが、繊維分解されないことも可能である。一方の接
点が大規模に繊維分解され、他方が微小に繊維分解され
ることも可能である。更に、接点の一方又は両方が、機
械的又は構造的な機能を提示することも可能である。例
えば、コネクタのための電流の導体として機能すること
に加えて、繊維分解される引出成形部材の固体部分は、
金属コネクタへの圧着のためのガイドピン又は機械的締
付け具としても機能し得るのである。繊維分解される引
出成形部材の一部は、載置される走査ヘッドのためのレ
ールとしても機能して、接地帰路通路をも準備し得るこ
とになる。

【００３２】図４は、本発明に従った接地ブラシ２９を
有する光導電面を備えたベルト１０を採用している電子
写真式の印刷機又は複写機を示している。ベルト１０
は、矢印１２の方向に運動し、コロナ放電発生装置１４
を包含している帯電ステーションに始まる様々な処理ス
テーションを介して光導電面の連続的部分を前送りす
る。このコロナ放電発生装置は、光導電面を比較的高く
て実質的に均一な電位まで帯電させる。

【００３３】光導電面の帯電部分は、次に、結像ステー
ションを介して前送りされる。結像ステーションにおい
て、原稿移動装置１５は、原稿１６を露光システム１７
上において表を下に向けて位置決めする。露光システム
１７は、透明プラテン１８上に位置決めされた原稿１６
に照射するランプ２０を包含する。原稿１６から反射し
た光線はレンズ２２を介して送られ、原稿１６の光画像
の焦点がベルト１０の光導電面の帯電部分の上に結ばれ
ることになり、その電荷を選択的に消失させるのであ
る。これが、原稿の中に含まれていた情報区域に対応す
る静電潜像を光導電面に記録することになる。

【００３４】プラテン１８は、可動的に装着され、矢印
２４の方向に動いて、複製される原稿の倍率を調節する
ように準備されている。レンズ２２は、それと同期して
運動し、原稿１６の光画像の焦点をベルト１０の光導電
面の帯電部分の上に結ぶことになる。

【００３５】原稿移動装置１５は、原稿を保持トレーか
らプラテン１８へ逐次連続的に送付する。この原稿移動
装置は、原稿をトレー上に支持されたスタックへ送り返
す。その後、ベルト１０は、光導電面上に記録された静
電潜像を現像ステーションへ前送りすることになる。

【００３６】現像ステーションにおいて、一対の磁気ブ
ラシ現像剤ローラ２６及び２８は、静電潜像と接触する
ように現像剤物質を前送りする。この潜像は、現像剤物
質のキャリア粒剤からトナー粒子を誘引し、ベルト１０
の光導電面上にトナー粉末画像を形成することになる。

【００３７】ベルト１０の光導電面に記録された静電潜
像が現像された後、ベルト１０はトナー粉末画像を転写
ステーションへ前送りする。転写ステーションにおい
て、コピー用紙は、トナー粉末画像と接触するように移
動される。転写ステーションは、コピー用紙の裏側にイ
オンを吹き付けるコロナ放電発生装置３０を包含する。
これが、トナー粉末画像をベルト１０の光導電面から用
紙へ誘引することになる。

【００３８】コピー用紙は、トレー３４及び３６の選択
される一方から転写ステーションへ送られる。転写の
後、搬送装置３２は、用紙を定着ステーションへ前送り
する。定着ステーションは、転写された粉末画像をコピ
ー用に永続的に固定するための定着器アセンブリーを包
含する。好ましくは、定着器アセンブリー４０は、加熱
定着ローラ４２とバックアップローラ４４を包含し、粉
末画像を定着ローラ４２に接触させることになる。

【００３９】定着の後、搬送装置４６は、逆転選択器と
して機能するゲート４８へ用紙を搬送する。ゲート４８
の位置に拠って、コピー用紙は、用紙逆転器５０即ちバ
イパス用紙逆転器５０の中に偏向されるか又は、第２ゲ
ート５２へ直接に送付されることになる。判定ゲート５
２は、出力トレー５４へ直接に用紙を偏向させるか又
は、それらを逆転させることなく第３ゲート５６にまで
運ぶ搬送通路の中へ用紙を偏向させる。ゲート５６は、
逆転させることなく直接にコピー機の出力通路の中へ用
紙を通すか又は、両面印刷逆転ローラ搬送装置５８の中
へ用紙を偏向させる。逆転搬送装置５８は、両面印刷さ
れるべき用紙を逆転して両面印刷トレー６０の中に積み
重ねる。両面印刷トレー６０は、片面の印刷が済んでい
て裏側への印刷を待っている用紙のための中間的即ち緩
衝的な貯蔵装置を提供するものである。

【００４０】図５に注目すると、原稿１６の移動通路の
中には原稿センサ６６が示されている。この原稿センサ
６６は、概ね、対向して配置される一対の導電接点を包
含している。そのような対の１つが、下部導電支持体７
４の中に担持された引出成形複合部材７２と電気的に接
触している上部支持体７０の中に担持されるレーザで繊
維分解されたブラシ６８として示されている。この引出
成形複合部材は、表面７３を有するポリマーマトリック
ス７５内における多数の導電繊維７１を含んで成り、そ
れらの繊維の一端は、接点の間における原稿の通過によ
って接触して偏向される用紙通路に直交して装着される
レーザで繊維分解されたブラシ６８の繊維と接触して利
用され得るものである。

【００４１】図６に注目すると、光導電接地ブラシの概
略的な側面図が、矢印によって示された方向に運動して
いる感光体と共に示されている。運動する感光体ベルト
は接地機能を潜在的に破壊してしまうことになるベルト
を横断する継ぎ目を有するので、接地ブラシの引出成形
部分には切欠き即ち「Ｖ字型」が形成されている。この
幾何学的形状は、切欠き即ち「Ｖ字型」の間隙によって
分離される２つの繊維分解されたブラシ状構造を準備し
ている。

【００４２】図６において側面から示されたような外観
を有する引出成形物は、長さが約１７ｍｍ、幅が２５ｍ
ｍ、厚さが０．８ｍｍのものが、ゼロックス（Xerox ）
５０９０印刷機における光導電接地ブラシとしてテスト
された。この引出成形物は、エポキシ樹脂で糊付けされ
ビニルエステル結合樹脂の中に引出成形された、それぞ
れセリオンカーボンファイバー（Celion Carbon Fiber
）６３０−５００糸（セリオンカーボンファイバーズ
社の事業部： Celion Carbon Fibers Div.及びノースカ
ロライナのシャーロット： Charlotte, N. C.に所在の
ビーエーエスエフ構造材料社： BASF Structural Mater
ials Inc. から入手され得る）である６０００本のフィ
ラメントからなる５０本の糸によって形成された。この
引出成形部材は、二酸化炭素レーザによって１７ｍｍ間
隔で切断され、同時に切片の両端が繊維分解された。図
６に示されたような「Ｖ字型」を形成するためには、機
械的な切欠き器が使用された。そのように形成された２
つのブラシ状構造がゼロックス５０９０印刷機の中に装
着され、それらのブラシは感光体の端部と接地接触され
た。この引出成形物の他端は、機械の接地に関する配線
に接続された。１台の印刷機では、６００万枚以上のコ
ピーが、繊維の損傷は典型的にはテストが中断されたと
きに他の部品の短絡を引き起こすことになるような故障
なしで、作成された。もう１台の印刷機では、５００万
枚以上のコピーが何の支障もなく作成され、この印刷機
はそのまま作動していた。

【００４３】従って、本発明によれば、高密度に配分さ
れたフィラメント接点を有して利用可能な接点に非常に
高い冗長性を準備する電気部品が提供される。更に、保
守容易性を目指して設計され得るものであり、制御され
た抵抗を有して汚染に抗性があり非毒性的で環境的に安
定したものであり得る、信頼性が高くて低コスト長寿命
の部品が提供された。加えて、実施例において、レーザ
は精密に制御されてプログラム可能な方式で焦点合わせ
されることが可能なので、引出成形部材は個々の接点に
切断されると同時に繊維分解され得るものであり、自由
繊維長が厳密に制御されて引出成形部分とその自由繊維
の間における境界帯域が良好に区画され得る完成した接
点を提供することになるのである。更に、１段階で自動
的に製造され得ることに加えて、当該部品は、電気的機
能を機械的又は構造的な機能と結合させることができ
る。本文に引用されたメイヤーの文献及びホルムの文献
を包含する引例は、本文において引用として詳細かつ総
体的に組み込まれるものとする。

【００４４】本発明は特定の実施例に関して説明されて
きたが、当該分野における熟練者にとって、多くの代
案、修正及び変更が為され得ることは明白であろう。例
えば、本発明は概ね静電写真式印刷機を用途として説明
されてきたが、電気部品を備えた更に大型の機械配列に
も同様に適用されるものであることが認識されるであろ
う。更に、実施例は１段階のレーザ切断及び繊維分解プ
ロセスに関して説明されてきたが、切断と繊維分解の段
階は別個に連続して実施され得るものであると理解され
るであろう。従って、添付した請求項の精神及び範囲に
含まれ得るそのような総ての代替的な変更を包含するこ
とが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）はポリマーマトリックスを一端から除
去せしめて、それぞれが繊維径に比べて相対的に長いも
のであり、変形するとき一団として行動することになる
個々の繊維を露出させるように成した、引出成形される
複合部材を示している断面図である。（ｂ）は（ａ）に
おける断面の一部を示している拡大図である。

【図２】 （ａ）は一端が繊維径に比較して非常に短い
長さだけ繊維分解され、それらの終端部が相対的に剛性
の高い接触面を準備するように成した、引出成形される
部材の補足的な実施例を示している断面図である。
（ｂ）は（ａ）における断面の一部を示している拡大図
である。

【図３】 引出成形された部材がその一部をレーザで繊
維分解させるべく載置され得るプログラム可能な土台を
示している概略図である。

【図４】 本発明を光導電接地ブラシとして組み込むこ
とができる自動静電写真式印刷機を示している断面図で
ある。

【図５】 レーザで繊維分解された引出成形接点と引出
成形接点とを有するセンサの図である。

【図６】 運動している光導電面と接触する光導電接地
ブラシを側面から示している拡大図である。

【符号の説明】

１０ ベルト、１４ コロナ放電発生装置、１５ 原稿
移動装置、１６ 原稿、１７ 露光システム、１８ 透
明プラテン、２０ ランプ、２２ レンズ、２６，２８
現像剤ローラ、３０ コロナ放電発生装置、３２ 搬
送装置、３４，３６ トレー、４０ 定着器アセンブリ
ー、４２ 加熱定着ローラ、４４ バックアップロー
ラ、４６ 搬送装置、４８ ゲート、５０ 用紙逆転
器、５２ 判定ゲート、５４ 出力トレー、５６ 第３
ゲート、５８ 逆転搬送装置、６０両面印刷トレー、６
４ プログラマブルコントローラ、６６ 原稿センサ、
６８ブラシ、７０ 上部支持体、７１ 導電繊維、７２
引出成形複合部材、７３表面、７５ ポリマーマトリ
ックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２９Ｌ 31:34 (72)発明者 スタンレイ・ジェイ・ウォレス アメリカ合衆国ニューヨーク州14564ビ クタートリリウムトレイル7424 (72)発明者 ウイルバー・エム・ペック アメリカ合衆国ニューヨーク州14616ロ チェスター リップルウッドドライブ 227 (72)発明者 ジョン・イー・コートニー アメリカ合衆国ニューヨーク州14502マ セドンパネルロード128 (72)発明者 デイビッド・イー・ロリンズ アメリカ合衆国ニューヨーク州14489リ オンズレイトンストリート59 (56)参考文献 特開 平３−121009（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 70/00 - 70/88

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引出成形された複合部材を有し、 この複合部材は、 ポリマーマトリックス内に多数の小径
   の導電繊維を有し、 この導電 繊維は、ポリマーマトリックス内で複合部材の
   軸方向に対して実質的に平行な方向に配列され、且つ、
   複合部材の一端から他端までの全長にわたって連続して
   おり、複合部材のそれぞれの端部に多数の電気接点機能
   を持たせた他の部品との電気的接触を形成する電気部品
   であって、 前記複合部材部材の少なくとも一端には、レーザで繊維
   分解され、その繊維の長さが制御された多数の繊維が高
   密度に分布したブラシ状構造のフィラメント接点が形成
   されており、 前記レーザで繊維分解された多数の繊維繊維の終端に
   は、 電気的な接触面が形成されており、 引出成形部分とブラシ状構造との間には制御された明確
   な境界帯域が形成されている 電気部品。
2. 【請求項２】 ポリマーマトリックス内に多数の小径導
   電繊維を有する引出成形された複合部材であって、前記
   多数の繊維は、前記マトリックス内において前記部材の
   軸方向に対して実質的に平行な方向に方向付けされ、前
   記部材の各端部に多数の電気接点を準備すべく前記部材
   の一端から他端まで連続する前記引出成形複合部材を準
   備し、 前記部材の一端に対してレーザ光線を当て、前記一端に
   おけるポリマーマトリックスを揮発させて多数の導電繊
   維を露出させ、高密度に配分されるフィラメント接点を
   有してレーザで繊維分解されたブラシ状構造が得られる
   ようにレーザ光線を制御して、ブラシ状構造内において
   終端する繊維の端部が電気的接触面を形成する電気部品
   を形成する方法。