JP3905520B2 - 帯電ローラならびにこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を採用する複写機やプリンタ等からなる画像形成装置の帯電ローラに関するものである。

この種の画像形成装置２０は、図２に示すように、感光体ドラム２１を備え、この感光体に対し帯電ローラ２２により感光体ドラム２１の表面を一定の電位に帯電し、ＬＥＤアレイ２３による原稿からの反射光等を照射することで感光体ドラム２１上に静電潜像を形成する。また、現像ローラ２４で感光体ドラム２１にトナー２５を付着させ静電潜像を可視化し、可視化された像を転写ローラ２６により静電的に記録紙上に転写する。その後、定着ローラ２７により転写されたトナー２５を記録紙上で加熱加圧定着する。このような工程を経ることにより、印刷物が印刷される。

一般に、帯電ローラ２２は良導電金属軸体の外周上に半導電性弾性体層を被覆した構成であり、半導電性弾性層は、ウレタンゴム、ＮＢＲ、ＥＰＤＭ、シリコーンゴム等の材料に、電子伝導性物質やイオン伝導性物質等の導電性付与剤を添加、配合することにより形成される。このような帯電ローラ２２においては、画像の高画質化のために、電気抵抗値（以下、抵抗値）を所望の値に均一かつ精度よく調整する必要がある。

導電性付与剤は、電子伝導性物質とイオン伝導性物質に大別される。電子伝導性物質は、抵抗値の環境変動は小さいけれども、抵抗値を均一に制御することが困難である。また、イオン伝導性物質は、抵抗値を均一に制御しやすいけれども、抵抗値の環境変動は大きい。

電子伝導物質としては、一般にカーボンブラックが用いられる。カーボンブラックにより、部分的な抵抗バラツキを小さくするためには、ベース樹脂との分散性が重要であり、シラン系、チタネート系、アルミネート系のカップリング剤をはじめ、界面活性剤や脂肪酸塩などの分散材が用いられてきた。

以下に関連する技術文献を示す。
特開平１０−５５１１７号公報 特開平１１−１０６６５７号公報 特開平１１−１９０３２８号公報

しかしながら、帯電ローラにおける半導電性弾性体層のベース樹脂が熱硬化樹脂のような反応性を有する場合、分散剤の選択肢に制限があるので、抵抗値が均一な帯電ローラを得ることが困難なことがある。また、分散剤との分散性の影響は非常に大きく、抵抗値の制御が困難である。前記抵抗値が均一でなければ、感光体ドラムを帯電させた際の電位バラツキが大きくなり、印字ムラの無い画像は得られない。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので、抵抗値の制御が容易で且つ抵抗値が均一で、感光体ドラムを帯電させた際の電位バラツキを少なくすることにより、印字ムラのない高品位の画像が得られる有用な帯電ローラ、およびこれを用いた画像形成装置を提供することにある。

本発明の帯電ローラは、導電性軸体外周に弾性層を被覆し、さらに表面層をコートした二層からなる帯電ローラであって、所定の表面状態に加工され、コート層形成可能な状態の弾性層の抵抗、および表面層上に電極を当接し１００Ｖの電圧を印加したときに流れる電流から算出される抵抗値である表面層の抵抗が、弾性層＞表面層となるように構成され、上記表面層はＲｚ６．４μｍ以上の表面粗度を有している。
また、本発明の帯電ローラは、弾性層の母材としてシリコーン樹脂が好ましい。

この構成では、環境に対する物性変化が小さく、特に圧縮に対する歪特性に優れた、有用な帯電ローラを得ることができる。
また、本発明の帯電ローラは、表面層の母材にはウレタン樹脂が好ましい。

この構成では、耐摩耗性、組成変更の容易、安価の三点を兼ね備えた、有用な帯電ローラを得ることができる。
また、本発明の帯電ローラは、表面層にフィラーを含有している。

この構成では、表面層にフィラーを添加することで、帯電ローラ表面に所望の表面粗度を与えることが可能となる。
また、表面層に６．４μｍ以上の表面粗度を有することにより感光体ドラムへの電荷付与の際、表面層の微小な突起が放電のトリガーとなり、電位バラツキのない安定した電位を得ることができる。
また、本発明の帯電ローラは、表面層に含有されるフィラーが、予めカップリング剤により前処理されている。

この構成では、カップリング剤は親水基側がフィラーと反応し、フィラー表面に有機鎖を出すことによってフィラーの表面活性を減少させることができるため、フィラーの分散性を向上させることができる。
また、本発明の画像形成装置は、導電性軸体外周に弾性層を被覆し、さらに表面層をコートした二層からなる帯電ローラを用い、弾性層および表面層の抵抗が、弾性層＞表面層となるように構成され、表面層にＲｚ６．４μｍ以上の表面粗度を有する帯電ローラを用いている。

この構成では、電位バラツキのない安定した電位を得ることができる帯電ローラにより、安定した印字特性（初期印字特性および経時印字特性）を有する画像形成装置を提供することができる。
また、本発明の画像形成装置は、感光体を直流電圧印加のみで帯電させる。

この構成では、感光体に接触して従動回転する帯電ローラに直流電圧（ＤＣ）のみを印加し、感光体表面を一様に帯電させるローラ帯電装置であるため、装置自体のコスト上昇、電源コスト上昇、オゾンの大量発生を抑制し、帯電部材および感光体の劣化を回避するとともに、公害問題を回避することができる。

本発明の帯電ローラは、表面層を薄膜にコートする際、コート材が液状で粘度の低い分散性が良い状態にあり、且つ抵抗の高い弾性層でなく抵抗の低い表面層でローラ全体の抵抗をコントロールするため、抵抗値が均一で容易に所望の帯電ローラを得ることができる。また、表面層に６．４μｍ以上の表面粗度を有することにより感光体ドラムへの電荷付与の際、上記表面層の微小な突起が放電のトリガーとなり、電位バラツキのない安定した電位を得ることができる。

本発明の弾性層の母材としてシリコーン樹脂を用いた帯電ローラは、環境に対する物性変化が小さく、特に圧縮に対する歪特性に優れた、有用な帯電ローラを得ることができる。

また、本発明の表面層の母材としてウレタン樹脂を用いた帯電ローラは、耐摩耗性、組成変更の容易、安価の三点を兼ね備えた、有用な帯電ローラを得ることができる。

また、本発明の表面層にフィラーを含有している帯電ローラは、表面層にフィラーを添加することで、帯電ローラ表面に所望の表面粗度を与えることが可能となる。

また、帯電ローラの表面層に６．４μｍ以上の表面粗度を有することにより感光体ドラムへの電荷付与の際、表面層の微小な突起が放電のトリガーとなり、電位バラツキのない安定した電位を得ることができる。

また、本発明の帯電ローラは、表面層に含有されるフィラーが、予めカップリング剤により前処理されているので、カップリング剤は親水基側がフィラーと反応し、フィラー表面に有機鎖を出すことによってフィラーの表面活性を減少させることができるため、フィラーの分散性を向上させることができる。

また、本発明の画像形成装置は、電位バラツキのない安定した電位を得ることができる帯電ローラにより、安定した印字特性（初期印字特性および経時印字特性）を有する画像形成装置を提供することができる。

また、本発明の画像形成装置は、感光体に接触して従動回転する帯電ローラに直流電圧（ＤＣ）のみを印加し、感光体表面を一様に帯電させるローラ帯電装置であるため、装置自体のコスト上昇、電源コスト上昇、オゾンの大量発生を抑制し、帯電部材および感光体の劣化を回避するとともに、公害問題を回避することができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による帯電ローラの実施形態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。

図１に示すように、本実施形態における帯電ローラ１０は、導電性軸体１１と、導電性軸体１１の周面に、図１では導電性軸体１１の外周面に被覆形成される円筒形の半導電性弾性体層１２を備え、更にこの半導電性弾性体層１２の外周表面にコーティング層１３が設けられたものである。なお図示しないが、半導電性弾性体層１２は、他の弾性体層を介して導電性軸体１１の周囲に設けられていてもよい。

導電性軸体１１は、良好な導電性を有するものであれば、何れのものも使用し得るが、通常は鉄、アルミニウム、ＳＵＳ、真鍮などで構成された芯金のほか熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの絶縁性芯体の表面にメッキを施して導電化したもの、あるいは熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの導電性付与剤としてカーボンブラック、金属粉体などを配合した導電性樹脂で形成されたものなどが用いられる。導電性軸体１１はその一端を接地するかバイアス電圧を印加することにより、感光体への電荷の付与などの機能を発揮する。

半導電性弾性体層１２は、その材質、硬度および強度について特に制限するものではないが、ゴム材料に導電材等を添加した弾性体でよい。ゴム材料としては、二トリルゴム、エチレンプロピレンゴム（エチレンプロピレンジエンゴムを含む）、エチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプロピレンゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム等が挙げられ、これらの一種又は二種以上の混合ゴムが用いられる。そのなかでも特にシリコーンゴムが好ましい。

半導電性弾性体層１２の成形方法としては、導電性軸体１１と上記ゴムあるいはエラストマー組成物をクロスヘッド付きの押出機で一体化して分出し、ギヤオーブンあるいはＩＲ炉で一次加硫する方法、金型に導電性軸体１１をセットし、ゴム組成物を注入し、常温又は加熱下で一次加硫する方法、金型内で導電性軸体１１とゴム組成物とを同時に加熱・圧縮成形する方法等が挙げられる。その後、ギヤオーブン等で一定時間二次加硫を実施することにより、物性の安定化を図ることもできる。

上記成形品は、必要に応じて、円筒研削盤、ショットブラスター、サンドブラスター、ラッピング機、バフ等により所定の表面状態に成形される。このとき成形された半導電性弾性体層１２の抵抗は１０^５〜１０^８Ωである。そしてその後、分散性の向上のため、カップリング剤で前もって処理されたフィラーの添加配合された樹脂が、すなわちコーティング層１３が成形される。このコーティング層１３の抵抗は、１０^１〜１０^４Ωが好ましい。これは、半導電性弾性体層１２の高い抵抗に対し、弾性体層１２上に抵抗の低いコーティング層１３を形成することで、ローラ全体での抵抗値がコーティング層１３で均一化され、容易に所望の抵抗値を得ることができるためである。

コーティング層１３の母材として、ゴムあるいは樹脂が用いられる。樹脂としては、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、アクリルウレタン樹脂、ウレタン樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、シリコーン樹脂、ポリビニルブチラート樹脂等およびそれらの変性物又は混合物が挙げられ、特にウレタン樹脂が好ましい。また、導電材の他に、充填材や荷電制御材などの各種添加剤が配合されていてもよい。また、このようにコーティング層１３に、カップリング剤で処理されたフィラー（以下、処理フィラーという）を任意の配合比で添加混合したものが用いられる。この処理フィラーは、未処理のフィラーとカップリング剤をヘンシェル型ミキサー、Ｖ型ブレンダ等で混合処理する方法（乾式方という）、カップリング剤の水溶液、アルコール等の溶液中に分散した後、余分な溶剤分を除去・乾燥させる方法（湿式方という）等で得られる。

カップリング剤としては、例えばビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（βメトキシエトキシ）シラン、β−（３，４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート等が挙げられる。

処理フィラーとしては、煙霧質シリカ、湿式シリカ、石英粉、珪藻土、カーボンブラック、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、フェライト、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸カリウム、酸化錫、タルク、マイカ、グラファイト、炭酸マグネシウム、シリコーンレジンパウダー、ポリメタクリル酸メチルパウダー、ポリメタクリル酸エチルパウダー、架橋ポリスチレンパウダー、架橋ポリメタクリル酸ブチルパウダー、ポリアクリル酸エステルパウダー等が挙げられる。

また、コーティングの手法も制限されるものではなく、スプレー法、ディッピング法などで必要に応じた塗膜厚で被覆すればよい。尚、コーティング層１３と半導電性弾性体層１２との接着性を増すために、プライマーをアンカー材として設けることも可能である。

以上のような帯電ロール１０を製造する場合には、先ず、導電性軸体上１１にゴム組成物を所定の条件下でロール状に成形して半導電性弾性体層１２を形成し、この半導電性弾性体層１２の表面を所定の表面状態に仕上げる。そしてその後、半導電性弾性体層１２の表面を前もってフィラー比表面積の０．０５〜１０倍の被覆面積となる量のカップリング剤で処理されたフィラー（好適には、フィラー比表面積の０．１〜５倍の被覆面積となる量のカップリング剤で処理されたフィラー）の添加配合された樹脂および、又はエラストマーによりコートし、コーティング層１３を形成すれば、帯電ローラ１０を製造することができる。

次に、図２は画像形成装置の構成説明図であって、帯電ローラに本発明のローラを配設している。

本実施形態における画像形成装置は、上記説明の本発明に係る帯電ローラ２２を用い、潜像担持体への電荷の付与などの機能を発揮している。同図中、２１は感光体ドラム、２３はＬＥＤアレイ、２４は現像ローラ、２６は転写ローラ、２７は定着ローラ、そして記録紙である。

この画像形成装置２０における帯電ローラ２２は感光体ドラム２１に当接して従動回転している。そして、感光体ドラム２１は直流電圧印加で帯電させている。

以下、本発明に係る帯電ローラの実施例および比較例について説明する。

カーボンブラックとしてファインサーマルクラスのカーボンブラックであるアサヒサーマル（旭カーボン社製、商品名）〔粒子径８０ｎｍ、ＤＢＰ吸油量２８ｃｍ３／１００ｇ、イオウ含有量２０００ｐｐｍ〕を用い、シリコーンゴムコンパウンドとしてＫＥ−１５１Ｕ（信越化学工業社製、商品名）を用いた。このＫＥ−１５１Ｕ（同前）１００重量部に、アサヒサーマル（同前）２０重量部を加え、インテンシブミキサーで３０分間混練を行い、カーボンブラックを充分に分散させた。これに架橋剤として有機過酸化物２，５ジメチル−２，５ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）−ヘキサンを１重量部加え、ミキシングロールで充分に混練しシリコーンゴム組成物を調製した。

次にクロスヘッドを備えた押出機を用いてシリコーンゴム組成物を導電性軸体上に一体化して分出した。導電性軸体としては、直径８ｍｍ、長さ３６０ｍｍのＳＵＳ３０４製シャフトを使用した。

その後、ギヤオーブン中で１７０℃、１０分間の成形、加硫を行った。成形終了後、２００℃で２時間二次加硫を行い終了後冷却した。常温に戻った後に研削機により仕上げ研磨を行って、直径１４ｍｍ、長さ３１０ｍｍの弾性層となるシリコーンゴムローラを成形した。

次に、分散性の向上を目的として、シランカップリング剤ＫＢＭ−６０３（信越化学株式会社製、商品名）５．０重量％で導電性亜鉛華としてＥＣＺ−５０（堺化学株式会社製、商品名）１００重量％を、ヘンシェル型ミキサーを用いて処理した。

続いて、シリコーンゴムローラ表面に、ウレタン系塗料ニッポラン３０２２（日本ポリウレタン株式会社製、商品名）１００重量部に、分散性の向上のため先にシランカップリング剤で処理した導電性酸化亜鉛ＥＣＺ−５０（堺化学株式会社製、商品名）２０重量部を添加し、ポットミルで８時間攪拌、分散し、ポリイソシアネート系架橋剤のコロネート−Ｌ（日本ポリウレタン株式会社製、商品名）５重量部を添加し、スプレーコーティングした。そして、１５０℃、３０分間の条件で加熱硬化し、表面粗度が６．４μｍ以上のサンプル＃１、２を作製した。同様の方法で、表面粗度が６．４μｍに満たないサンプル＃３〜５を作製した。

本実施例において作製した、上記サンプルを感光体ドラムに当接し、従動回転させるとともに、上記サンプルに一定の直流電圧（ＤＣ電圧）を印加し、感光体表面の電位が−６２０Ｖとなるよう帯電させ、そのときの電位バラツキをそれぞれ出力し、表面粗度との関連性を確認した。その結果を図３の表に示す。

電位バラツキの目標値１０Ｖ以下に対し、表面粗度が６．４μｍ以上のサンプル（サンプル＃１、２）は電位バラツキが１０Ｖ以下であり、非常に良好な帯電特性が得られた。それに対し、表面粗度が６．４μｍに満たないサンプル（サンプル＃３〜５）では、電位バラツキが１０Ｖを大きく超え、良好な帯電特性は得られなかった（図３参照）。

実施例１と同様の工程により、上記アサヒサーマル（旭カーボン社製、商品名）２０重量部を加えた弾性層となるシリコーンゴムローラを成形し、実施例１と同様の工程により、分散性の向上のため先にシランカップリング剤で処理した導電性酸化亜鉛ＥＣＺ−５０（堺化学株式会社製、商品名）２０重量部を添加したコーティング層を成形し、サンプル＃６を作製した。

同様の方法で、上記アサヒサーマル（旭カーボン社製、商品名）４０重量部とし、サンプル＃７を作製した。それぞれ、サンプル＃６の弾性層の抵抗は１０^５Ω、サンプル＃７の弾性層の抵抗は１０^８Ωであり、コーティング層成形後の表面粗度は共に６．４μｍ以上とした。

本実施例において作製した、上記サンプル＃６もしくはサンプル＃７を感光体ドラムに当接し、従動回転させるとともに、上記サンプル＃６もしくはサンプル＃７に一定の直流電圧（ＤＣ電圧）を印加し、感光体表面の電位が−６２０Ｖとなるよう帯電させ、そのとキの電位バラツキを比較した。その結果、サンプル＃６、サンプル＃７ともに電位バラツキが１０Ｖ以下と良好で、弾性層の抵抗の違いによる電位バラツキの差はほとんど見られなかった。

実施例１と同様の工程により、上記アサヒサーマル（旭カーボン社製、商品名）２０重量部を加えた弾性層となるシリコーンゴムローラを成形し、実施例１と同様の工程により、分散性の向上のため先にシランカップリング剤で処理した導電性酸化亜鉛ＥＣＺ−５０（堺化学株式会社製、商品名）２０重量部を添加したコーティング層を成形し、サンプル＃８とした。

同様の方法で、シランカップリング剤での処理を施していない、導電性酸化亜鉛ＥＣＺ−５０（堺化学株式会社製、商品名）２０重量部を添加したコーティング層を成形し、サンプル＃９とした。

本実施例において作製した上記サンプルを、幅２ｍｍ、直径８ｍｍのベアリング状の電極をサンプル表面に１０ｇの荷重で接触させ、該電極と上記導電性軸体間へ１００Ｖの電圧を印加したときの電流値から、各電極の位置での抵抗値を算出する。上記電極の位置を周方向で１００ポイント、幅方向で１００ポイント、計１００００ポイントの均等間隔の測定点として、各測定点において得られた抵抗値の平均値を算出して平均抵抗値とした。また、上記１００００ポイントの測定点における抵抗値の最大値を最小値で除した値を算出して抵抗バラツキとした。その結果、シランカップリング剤で処理したサンプル＃８は抵抗バラツキが非常に小さく安定した抵抗値を得ることができたのに対し、シランカップリング剤で処理を施していないサンプル＃９は、フィラーの分散不良が起因し抵抗バラツキが非常に大きいという結果が得られた。

上記、実施例１から実施例３で得られた各サンプルについて、市販の電子写真式プリンタに帯電ローラとして装着し、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの条件下でハーフトーンを印字し、濃度ムラの有無を評価した。実施例１から実施例３の結果も含め結果を図４に示す。

この表が示すように、シランカップリング剤で処理しないサンプル＃９、および、表面粗度６．４μｍ以下のサンプル＃３、サンプル＃４、サンプル＃５は帯電バラツキが大きく、印字ムラが発生した。

本発明による帯電ローラの実施形態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明に係る帯電ローラを備えた画像形成装置の実施形態を示す断面説明図である。 実施例１に係る帯電ローラ表面粗度と、これを用いて帯電させた感光体ドラム表面の電位バラツキの関係を示すグラフである。 実施例１から４に係るサンプルについての評価結果を示す表である。

符号の説明

１０ 帯電ローラ
１１ 導電性軸体
１２ 半導電性弾性体層
１３ コーティング層
２０ 画像形成装置
２１ 感光体ドラム
２２ 帯電ローラ
２３ ＬＥＤアレイ
２４ 現像ローラ
２５ トナー
２６ 転写ローラ
２７ 定着ローラ

Claims (3)

1. 導電性軸体外周に弾性層を被覆し、さらに表面層をコートした二層からなる帯電ローラにおいて、
   前記弾性層は、カーボンブラックを分散させたシリコーン樹脂を母材とし、
   前記表面層は、シランカップリング剤で表面処理した酸化亜鉛を分散させたウレタン樹脂より構成されると共に、
   所定の表面状態に加工され、コート層形成可能な状態の弾性層の抵抗、および表面層上に電極を当接し１００Ｖの電圧を印加したときに流れる電流から算出される抵抗値である表面層の抵抗が、（弾性層の抵抗）＞（表面層の抵抗）、の関係を有し、前記表面層はＲｚ６．４μｍ以上の表面粗度を有することを特徴とする帯電ローラ。
2. 接触ローラ帯電による帯電プロセスを有する画像形成装置において、帯電ローラは請求項１に記載の帯電ローラを用いていることを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項２に記載の画像形成装置において、感光体を直流電圧印加のみで帯電させることを特徴とする画像形成装置。