JP5220231B1 - 帯電部材、電子写真装置およびプロセスカートリッジ - Google Patents

帯電部材、電子写真装置およびプロセスカートリッジ Download PDF

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Abstract

【課題】帯電部材の弾性層の表面へのトナーや外添剤の付着及び弾性層の当接部分の永久変形を抑えて、安定して被帯電体を帯電させることのできる帯電部材を提供する。
【解決手段】芯金と導電性の弾性層とを有する帯電部材であって、該弾性層のユニバーサル硬さは、その表面から深さ方向に向かって小さくなっており、該弾性層の、該帯電部材の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの関係が、該弾性層の表面においては、両端部が中央部よりも高く、且つ、該弾性層の表面から深さtμmの位置においては、中央部が両端部よりも高いことを特徴とする帯電部材。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子写真装置に用いられる帯電部材、電子写真装置およびプロセスカートリッジに関する。
電子写真装置において、感光体や誘電体等の像担持体面を帯電処理する手段として、接触帯電方式が採用されている。接触帯電方式で使用される帯電部材として、被帯電体との均一なニップ幅(密着幅)を確保し、また、被帯電体に傷が付くことを避けるために、ゴムや熱可塑性エラストマーを含む弾性層を有する弾性体ローラが用いられている。このような弾性体ローラは、通常、弾性体ローラの両端部の軸に対して所定の力を加えて像担持体に対して圧接されているため、弾性体ローラの長手方向における端部のニップ圧が、中央部のニップ圧と比較して高い傾向がある。そのため、かかる弾性体ローラを帯電部材として電子写真装置に適用した場合において、長期間に亘る電子写真画像の形成によって、弾性体ローラの長手方向の中央部に汚れが蓄積されやすかった。そして、それによって、電子写真画像にスジ状のムラが発生することがあった。
ところで、特許文献1は、弾性体ローラを像担持体に当接させたときに、該弾性体ローラの長手方向でのニップ幅が均一とならず、そのために、ニップ圧に分布が生じ、トナー汚れや画像ムラを生じることを課題として挙げている。そして、このような課題を、弾性体ローラの外周面、すなわち、弾性層の表面を、該弾性体ローラのスラスト方向で異なる処理レベルに改質することで解決し得ることを記載している。弾性層の表面改質の方法の具体例としては、紫外線照射および電子線照射を挙げている。
特開2006−119451号公報
本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載されているような方法では、被帯電体に当接されている弾性体ローラのスラスト方向でのニップ圧のムラを十分に改善することができなかった。
そこで、本発明の目的は、芯金の両端に荷重を付加して被帯電体に圧接させたときにも、長手方向におけるニップ圧のムラが生じにくく、長期間の使用によっても表面にニップ圧の長手方向のムラに起因する汚れが蓄積されにくい帯電部材を提供することである。
また、本発明の他の目的は、高品位な電子写真画像の安定した形成に資する電子写真装置およびプロセスカートリッジを提供することである。
本発明によれば、芯金と、導電性の弾性層とを有する帯電部材であって、該弾性層のユニバーサル硬さが、その表面から深さ方向に向かって小さくなっており、該弾性層の、該帯電部材の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの関係が、該弾性層の表面においては、両端部が中央部よりも高く、且つ、該弾性層の表面から深さtμmの位置においては、中央部が両端部よりも高い帯電部材が提供される。
また、本発明によれば、帯電部材と、該帯電部材に接触して配置されている電子写真感光体とを備えている電子写真装置であって、該帯電部材が上記の帯電部材である電子写真装置が提供される。
更に、本発明によれば、帯電部材と、電子写真感光体とを備え、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されているプロセスカートリッジであって、該帯電部材が上記の帯電部材であるプロセスカートリッジが提供される。
本発明によれば、芯金の両端に荷重を付加して被帯電体に圧接させたときにも、長手方向におけるニップ圧の分布が生じにくく、長期間の使用によっても弾性層の長手方向の中央部に汚れが蓄積されにくい帯電部材を得ることができる。
本発明に係る帯電ローラの断面図である。 本発明に係る帯電ローラの製造に用いられる電子線照射装置の説明図である。 本発明に係る帯電ローラの製造に用いられる走査型電子線照射源の説明図である。 本発明に係る帯電ローラの製造に用いられるエリア型電子線照射源の説明図である。 実施例1に係る帯電部材のユニバーサル硬さ分布を示す図である。 実施例5に係る帯電部材のユニバーサル硬さ分布を示す図である。 本発明に係る電子写真装置の説明図である。 本発明に係るプロセスカートリッジの説明図である。
本発明者らは、上記の目的に鑑み、検討を重ねた結果、芯金と、導電性の弾性層とを有し、該弾性層のユニバーサル硬さが、その表面から深さ方向に向かって小さくなっており、該弾性層の、該帯電部材の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの関係が、該弾性層の表面においては、両端部が中央部よりも高く、且つ、該弾性層の表面から深さt(μm)の位置においては、中央部が両端部よりも高い帯電部材によって、上記の目的をよく達成できることを見出した。
<帯電部材>
以下、本発明に係るローラ形状の帯電部材(以降、「帯電ローラ」と称する)について、図1に基づき説明する。本発明に係る帯電ローラ10は、芯金11と、芯金11上の導電性の弾性層12とを有する。弾性層12の表層部には硬化領域13が存在する。
〔芯金〕
芯金11としては、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、耐熱樹脂棒等が使用される。
〔弾性層〕
導電性の弾性層を構成する材料はポリマーと添加剤の混合物であり、ポリマーはゴム弾性を示す材料であれば特に限定されない。具体的なゴム材料としては、以下のものが挙げられる。天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム(IIR)、エチレン−プロピレン−ジエン3元共重合体ゴム(EPDM)、エピクロルヒドリンホモポリマー(CHC)、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイド共重合体(CHR)、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイド−アリルグリシジルエーテル3元共重合体(CHR−AGE)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、NBR水添物(H−NBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリルゴム(ACM、ANM)等の原料ゴムに架橋剤を配合した熱硬化性のゴム材料;ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、ポリ塩化ビニル系熱可塑性エラストマー等の熱可塑性エラストマー。更に、これらポリマーをブレンドさせた混合物でも良い。
また、ポリマーには弾性層の電気抵抗値を調整する目的で導電剤が添加される。導電剤としては、以下のものが挙げられる。カーボンブラック、グラファイト等の炭素材料;酸化チタン、酸化錫等の酸化物;Cu、Ag等の金属;酸化物や金属を粒子表面に被覆して導電化した導電粒子等の電子導電剤;過塩素酸リチウム、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カルシウム等の無機イオン物質;ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロライド、トリオクチルプロピルアンモニウムブロミド、変性脂肪族ジメチルエチルアンモニウムエトサルフェート等の陽イオン性界面活性剤;ラウリルベタイン、ステアリルべタイン、ジメチルアルキルラウリルベタイン等の両性イオン界面活性剤;過塩素酸テトラエチルアンモニウム、過塩素酸テトラブチルアンモニウム、過塩素酸トリメチルオクタデシルアンモニウム等の第四級アンモニウム塩;トリフルオロメタンスルホン酸リチウム等の有機酸リチウム塩等のイオン導電剤。更に、ポリマーには弾性層の表面粗さを調整する目的で球状粒子を添加しても良い。球状粒子としては、有機系粒子、無機系粒子のいずれでも構わない。
ポリマーには、必要に応じてゴムの配合剤として一般に用いられている充填剤、加工助剤、老化防止剤、架橋助剤、架橋促進剤、架橋促進助剤、架橋遅延剤、分散剤等を添加することができる。これらの材料の混合方法としては、バンバリーミキサーや加圧式ニーダー等の密閉型混合機を使用した混合方法や、オープンロールのような開放型の混合機を使用した混合方法などを例示することができる。
芯金上に弾性層としてのゴム層が設けられたゴムローラの成形法としては、射出成形法、押出成形法、トランスファー成形法、プレス成形法等を挙げることができるが、特にこれらに限定されない。例えば、射出成形法においては、2つの円筒駒を組み、円筒金型内に同心に軸状の芯金を保持した状態でゴム材料を注入し加熱することによりゴム材料を硬化させてゴムローラを成形する。また、押出成形法においては、ゴム材料をチューブ状に押出した後、芯金にチューブ状のゴム材料を被せてゴムローラを成形するか、或いは、芯金とゴム材料を一体に押出して円筒状のゴムローラを成形する。これらの成形方法の中でも、ゴム材料を芯金と一体に押出してゴムローラを成形するクロスヘッド押出成形法が、連続生産が容易で、工程数も少なく、低コストでの製造に適している為、最も好ましい。
ゴムローラを加熱して加硫する方法に関しては、熱風炉、加硫缶、熱盤、遠・近赤外線、誘導加熱等のいずれの方法でも良く、更にこれと共に加熱状態の円筒状または平面状の部材にゴムローラを回転させながら押し当てる方法を併用しても良い。ゴムローラは、140℃以上220℃以下の範囲の温度で10分間以上120分間以下の時間で加熱して、ゴムローラを加硫する事が好ましい。
なお、ゴムローラの表面を研削する研磨手段としては、特に限定されないが、砥石が移動して研磨する所謂トラバース方式や、より幅の広い砥石を用いて移動することなしに一括で研磨するプランジ方式が挙げられる。プランジ方式はゴムローラの全幅を一度に研削できるという利点があり、トラバース方式より加工時間を短くすることができる為、より好ましい。
ここで、帯電ローラは、芯金の両端に各々数百グラムの荷重をかけて被帯電体に接触させて、被帯電体を回転させながら帯電ローラを従動回転させることで帯電処理を行う場合が多い。このようにして被帯電体に接触させる場合、帯電ローラの弾性層であるゴム層の厚さは、0.5mm以上3.5mm以下が好ましい。ゴム層の厚さを0.5mm以上とすることにより、弾性部材としての効果が大きくなり、均一なニップ幅の確保が可能となる。また、芯金と被帯電体の近接によるリーク放電も抑制できる。ゴム層の厚さを3.5mm以下とすることにより、電子写真装置の大型化や被帯電体を回転させるトルクの増大が抑制できる。更に、ゴム層の厚さを1.0mm以上3.0mm以下とすることにより、ニップ幅内の圧力分布の上昇やニップ幅が広がることによるゴム層の当接部分の永久変形を抑制することができる。
更に、帯電ローラを被帯電体に接触させる場合、帯電ローラは、その長手方向における中央部の外径より両端部の外径が小さいクラウン形状であることが好ましい。クラウン量は60μm以上220μm以下が好ましい。クラウン量を60μm以上220μm以下とすることにより、均一なニップ幅の確保が可能となり、ゴム層の当接部分の永久変形を抑制することができる。但し、クラウン量は、帯電部材の長手方向における中央部の外径D2と、中央部から両端方向へ各90mm離れた位置の外径D1及びD3との差であり、下記の式(1)にて算出される値である。
クラウン量C=D2−(D1+D3)/2・・・・・・(1)
帯電ローラのゴム層の厚さ及びクラウン量は、ゴムローラの表面を研削する研磨により調整することができる。
そして、本発明に係る弾性層のユニバーサル硬さの値は、弾性層の芯金に面している側とは反対側の面(以降、「表面」と称する)の側に存在する硬化領域(図1中の符号13)により、その表面から深さ方向に向かって小さくなっている。また、弾性層の長手方向における中央部及び両端部(例えば、中央部から両端方向へ各90mmの位置)のユニバーサル硬さの値については、弾性層の表面においては、両端部の値が中央部の値よりも高い。一方、弾性層の表面から深さtμmの位置においては、中央部の値が両端部の値よりも高い。
このように、弾性層の長手方向における中央部と両端部とのユニバーサル硬さの関係が、弾性層の表面と弾性層の表面から深さtμmの位置とで逆転している帯電部材を、芯金の両端に荷重を加えて被帯電体に対して圧接した場合、該帯電部材の長手方向のニップ圧のムラを小さく抑えることができる。
その結果、本発明に係る帯電部材は、長期間に亘る使用によっても、ニップ圧のムラに起因する、帯電部材の表面への局所的なトナー等の汚れの蓄積が生じにくく、高品位な電子写真画像の安定的な形成に資するものとなる。
ところで、弾性層の長手方向における中央部と両端部とのユニバーサル硬さが、弾性層の表面における関係と逆転する位置であるところの、深さtμmの値の目安としては、5μm以上50μm以下であることが好ましい。深さtの値を、5μm以上50μm以下とすることで、帯電部材の長手方向における被帯電体とのニップ圧の分布をより確実に均一化することができる。
本発明に係る弾性層は、特許文献1の実施例に記載されているように、ゴム混合物の層に対する電子線の線量を、弾性層の長手方向の中央部よりも両端部において多くしただけでは作製することはできない。すなわち、本発明に係る弾性層を得るためには、ゴム混合物の層の、弾性層の長手方向の中央部分においては、両端部におけるよりも深い所にまで電子線を浸透させる必要がある。
具体的には、本発明に係る弾性層は、下記(1)、(2)または(3)に挙げるような方法に従ってゴム層に表面処理を施すことによって形成することができる。
(1)電子線照射によるゴム層表面の硬化処理を用いて、帯電部材の長手方向における中央部を中心に両端部に向けて扇状に電子線を走査して照射する方法、
(2)帯電部材の長手方向における中央部では加速電圧を大きく両端部では加速電圧を小さく変更させながら電子線を照射する方法、及び、
(3)帯電部材の長手方向の一部をマスキングしながら、加速電圧の異なる電子線を照射する方法。
電子線照射による弾性層の表面の硬化処理方法は、帯電部材の成形工程、研磨工程、電子線照射工程の3つの工程のみで完了することができ、表面層の塗工及び硬化の工程が必要でないことから、少ない工程で製造することが可能となる。
〔電子線照射装置〕
ここで、一般的な電子線照射装置の概略図を図2に示す。本発明に用いられる電子線照射装置はゴムローラを回転させながらゴムローラの表面に電子線を照射することが可能な装置であり、図2に示すように、電子線発生部21と照射室22と照射口23とを備えている。
電子線発生部21は、電子源(電子銃)24において発生した電子線を真空空間(加速空間)で加速する加速管25を有する。また電子線発生部の内部は、電子が気体分子と衝突してエネルギーを失うことを防ぐ為、不図示の真空ポンプ等により10−3〜10−6Paの真空に保たれている。
不図示の電源によりフィラメント26に電流を通じて加熱するとフィラメント26は熱電子を放出し、この熱電子が電子線として有効に取り出される。そして、電子線は、加速電圧により加速管25内の加速空間で加速された後、照射口箔27を突き抜け、照射口23の下方の照射室22内を搬送されるゴムローラ28に照射される。
本実施態様のように、ゴムローラ28に電子線を照射する場合には、照射室22の内部は窒素雰囲気とされている。また、ゴムローラ28はローラ回転用部材29で回転させて照射室内を搬送手段により、図2において左側から右側に移動する。尚、電子線発生部21及び照射室22の周囲は電子線照射時に二次的に発生するX線が外部へ漏出しないように、不図示の鉛遮蔽、またはステンレス鋼による遮蔽が施されている。
照射口箔27は金属箔からなり、電子線発生部内の真空雰囲気と照射室内の窒素雰囲気とを仕切るものであり、また照射口箔27を介して照射室内に電子線を取り出すものである。よって、電子線発生部21と照射室22との境界に設けられる照射口箔27は、ピンホールがなく、電子線発生部内の真空雰囲気を十分維持できる機械的強度があり、電子線を透過しやすいことが望ましい。その為、照射口箔27は比重が小さく、肉厚の薄い金属が望ましく、通常、アルミニウム箔、チタン箔、ベリリウム箔、炭素膜、等が使用される。例えば、厚さ約5μm以上30μm以下程度の薄膜の箔が使用される。電子線による硬化処理条件は電子線の加速電圧と線量によって決定される。加速電圧は硬化処理深さに影響し、本発明における加速電圧の条件としては、低エネルギー領域である40〜300kVの範囲が好ましい。40kV以上で本発明の効果を得る為の充分な厚みの硬化領域を得ることができる。また、300kV以下とすることで、電子線照射装置が大型化すること、及び装置コストが増大することを抑えることができる。さらに好ましい加速電圧は70〜150kVの範囲である。
電子線照射における電子線の線量は、下記の式(2)で定義される。
D=(K・I)/V・・・・・・(2)
ここで、Dは線量(kGy)、Kは装置定数、Iは電子電流(mA)、Vは処理スピード(m/分)である。装置定数Kは、個々の装置の効率を表す定数であって、装置の性能の指標である。装置定数Kは一定の加速電圧の条件で、電子電流と処理スピードを変えて線量を測定することによって求めることができる。電子線の線量測定は、線量測定用フィルムをローラ表面に貼り付け、ローラ表面に実際に電子線を照射し、フィルム線量計により線量測定用フィルムの線量を測定することによって行われる。使用される線量測定用フィルムはFWT−60、フィルム線量計はFWT−92D型(いずれもFar WestTechnology社製)である。
本発明における電子線の線量は30〜3000kGyの範囲が好ましい。30kGy以上であれば本発明の効果を得る為に充分な表面硬度を得ることができる。また、3000kGy以下とすることで、電子線照射装置が大型化することあるいは処理時間が増大することによる製造コストの増大を抑えることができる。さらに好ましい電子線量は200〜2000kGyの範囲である。
〔走査型電子線照射源〕
次に、本発明に用いることができる走査型電子線照射源について、詳細に説明する。走査型電子線照射源は、図3に示すように、電子銃31と、電子線発生部の容器32と、照射口33とを備えている。この走査型電子線照射源は、電子銃31から放出した電子線を所定の方向に高速で偏向させることにより、照射口33から扇状に電子線を走査して照射する装置である。
電子銃31は、電子線を放出させるフィラメント34を有している。電子線通過孔35の周囲には、フィラメント34より放出された電子線の出射軸に沿って電磁コイル36が配置されている。電磁コイル36の配置中心は、電子線通過孔35の中心軸に一致している。この電磁コイル36により、電子線通過孔35を通過する電子線は、照射口33に向けて集束するようになっている。また、電子線発生部の容器32の側部には、不図示の真空ポンプが接続されており、電子線発生部の内部は電子が気体分子と衝突してエネルギーを失うことを防ぐ為、10−3〜10−6Paの真空に保たれている。
また、電子線発生部の容器32には偏向コイル37が備えられており、電子線通過孔35を通過した電子線は、偏向コイル37により扇状に偏向される。偏向コイル37は、不図示の交流電源から供給される電流値、周波数に基づいて作動し、その結果、図3に示すように左右に高速で電子線が偏向される。偏向される電子線の周波数は、電子線の照射ムラが発生しないように100Hz以上に設定することが好ましい。
偏向コイル37によって扇状に偏向された電子線は、照射口33に設けられた照射窓38を透過して、走査型電子線照射源の外部のゴムローラ39の表面に照射される。また、電子線の照射窓38は、例えばチタン箔又はベリリウム箔の数μm〜10μm程度の厚さで形成されている。
この走査型電子線照射源を用いてゴム層の表面処理を行うことで、長手方向における中央部と両端部とで、表面および該表面から深さtμmの位置におけるユニバーサル硬さの関係が逆転している、本発明に係る弾性層を得ることができる。
具体的には、図3に示すように、ゴムローラの長手方向における中央部を中心に、ゴムローラのゴム層の両端部に向けて対称的に、扇状に電子線を照射する。これにより、ゴム層の長手方向の中央部及び両端部に照射される電子線は、加速電圧が同じであっても、ゴム層への入射角が異なるため、電子線のゴム層の深さ方向への浸透の程度が異なってくる。その結果として、ゴム層の長手方向の中央部においては、両端部におけるよりも、より深い部分にまで電子線が浸透する。
これにより、弾性層のユニバーサル硬さの値が、その表面から深さ方向に向かって小さくなっており、かつ、該弾性層の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの値については、その表面では両端部の値が中央部の値よりも高く、且つ、その表面から深さtμmの位置においては中央部の値が両端部の値よりも高い、本発明に係る帯電部材を得ることができる。更に、この走査型電子線照射源を用いて、ゴムローラの長手方向における中央部では加速電圧を高く、両端部では加速電圧を低くなるように加速電圧を制御しながら、扇状に電子線を照射することによっても本発明に係る帯電部材を得ることができる。
〔エリア型電子線照射源〕
次に、本発明に用い得るエリア型電子線照射源について、詳細に説明する。エリア型電子線照射源は、図4に示すように、電子銃41と、電子線発生部の容器42と、照射口43とを備えている。このエリア型電子線照射源は、電子銃41から放出した電子線を真空空間(加速空間)の加速管44で加速させて、照射口43から線状に所定のエリアに照射する装置である。
電子銃41は、電子線を放出させる複数のフィラメント45を有している。複数のフィラメント45より放出された電子線は、真空空間(加速空間)の加速管44で加速されて、照射口43に向けて出射される。また、電子線発生部の容器42の側部には、不図示の真空ポンプが接続されており、電子線発生部の内部及び加速管44は電子が気体分子と衝突してエネルギーを失うことを防ぐ為、10−3〜10−6Paの真空に保たれている。
複数のフィラメント45より放出された線状の電子線は、照射口43に設けられた照射窓46を透過して、エリア型電子線照射源の外部のゴムローラ47の表面に照射される。また、電子線の照射窓46は、例えば数μm〜10μm程度の厚さのチタン箔又はベリリウム箔で形成されている。
このエリア型電子線照射源を用いることで、ゴム層の深さ方向におけるユニバーサル硬さの制御が可能である。具体的には、図4に示すように、ゴムローラの長手方向の両端部の所定幅(例えば各10mm幅)のみを除いて、ゴムローラ表面にマスキング48を行い、加速電圧の低い電子線を照射する。その後、非マスキング部を中央部方向に所定幅ずつ順次移動してゴムローラ表面にマスキング48を行い、この非マスキング部を移動する度に加速電圧を徐々に高くして照射を繰り返し行うことで達成できる。このようなマスキング操作によって、ゴムローラの両端部では加速電圧の低い電子線を照射し、ゴムローラの中央部では加速電圧の高い電子線を照射することができるので、中央部及び両端部でのゴム層の表面から深さ方向に向かう電子線の到達距離を変えることができる。また、ゴムローラの表面のマスキング48は、電子線の透過を防ぐもので、例えば厚さ50μm程度以上のステンレス鋼製のシートが用いられる。
このようにして、弾性層のユニバーサル硬さの値が、その表面から深さ方向に向かって小さくなっており、該弾性層の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの値については、その表面において両端部の値が中央部の値よりも高く、且つ、その表面から所定深さ以上の位置において中央部の値が両端部の値よりも高いことを特徴とする、本発明に係る帯電部材を得ることができる。
ここで、電子線による硬化処理レベルと硬化処理深さは、電子線の線量と加速電圧によって変化する。また一般的には、被照射物質の密度によっても電子線の透過深さが異なることが知られている。実際の弾性層の硬さ分布及び硬化処理深さを確認する方法として、ユニバーサル硬さ計を用いた表面硬度の測定方法が挙げられる。
ユニバーサル硬さとは、圧子を、荷重をかけながら測定対象物に押し込むことにより求められる物性値であり、「(試験荷重)/(試験荷重下での圧子の表面積)(N/mm)」として求められる。このユニバーサル硬さの測定は、例えば、超微小硬度計(商品名:H−100V、Fischer社製)等の硬度測定装置を用いて行うことが可能である。
この測定装置では、四角錘などの圧子を、所定の比較的小さい試験荷重をかけながら被測定物に押し込み、所定の押し込み深さに達した時点でその押し込み深さから圧子が接触している表面積を求め、前記式よりユニバーサル硬さを求めるものである。つまり、定荷重測定条件で圧子を被測定物に押し込んだ際に、押し込まれた深さに対するそのときの応力をユニバーサル硬さとして定義するものである。
図5には、前記の走査型電子線照射源を用いてゴムローラの中央部を中心に両端部に向けて扇状に電子線を走査して照射する方法で製造した帯電ローラのユニバーサル硬さ分布の測定例1を示す。図6には、前記のエリア型電子線照射源を用いてゴムローラの一部をマスキングしながら、ゴムローラの両端部では加速電圧の低い電子線を照射し、中央部では加速電圧の高い電子線を照射する方法で製造した帯電ローラのユニバーサル硬さ分布の測定例2を示す。グラフの横軸は押し込み深さ(μm)、すなわち弾性層の表面からの深さであり、縦軸はユニバーサル硬さ(N/mm)である。
ここで、本発明に係る帯電ローラの弾性層は、ユニバーサル硬さの値が表面から深さ方向に向かって小さくなっており、帯電ローラの弾性層の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの値については、弾性層の表面では、両端部が中央部よりも高く、また、弾性層の表面から深さtμmの位置では、中央部が両端部よりも高くなっている。ここで、tの値としては、5μm〜50μmであることが好ましい。
本発明の帯電ローラにより、被帯電体と帯電ローラとの均一なニップ幅の確保と、ニップ幅内の圧力分布を均一にすることができると考えられる。本発明の帯電ローラは、弾性層の表面へのトナーや外添剤の付着による画像不良、及び、弾性層の当接部分の永久変形による画像不良を抑えることができる。
前記、本発明の実施形態で述べた帯電ローラの電気抵抗値は、芯金の両端に各々500gの荷重をかけて、金属製ドラムに接触回転させながら帯電ローラを従動回転させて測定される。芯金、金属製ドラムに200Vの電圧を印加した場合の帯電ゴムローラの電気抵抗値は103〜108Ωに調整される。そして本発明の実施形態で述べた帯電ローラは、LBP、複写機及びファクシミリ等の画像形成装置の電子写真用部材として用いられる。
<電子写真装置>
本発明に係る電子写真装置は、帯電部材と、該帯電部材に接触して配置されている電子写真感光体とを備えており、該帯電部材が、前記帯電部材であることを特徴としている。
本発明に係る電子写真装置の断面図を図7に示す。ドラム形状の電子写真感光体(感光体ドラム)71を像担持体として備えている。電子写真感光体71は、図中の矢印が示す時計回りに所定の周速度(プロセススピード)で回転駆動する。帯電ローラ72としては本発明に係る帯電ローラが使用される。
帯電ローラ72と該帯電ローラに帯電バイアスを印加する帯電バイアス印加電源S1とによって帯電手段が構成されている。帯電ローラ72は、その芯金の両端部分に荷重を付加することによって、その弾性層を電子写真感光体71の表面に対して圧接させてあり、本例では電子写真感光体71の回転に対して、従動回転駆動する。この帯電ローラ72に対して帯電バイアス印加電源S1から、所定の直流電圧(本例では−1200Vとする)が印加されることで、電子写真感光体71の表面が所定の極性電位(本例では暗部電位−600Vとする)に一様に帯電処理される(DC帯電)。このDC帯電のほかにもAC/DC重畳帯電、注入帯電等の公知の帯電法を用いることができる。
電子写真感光体71の帯電処理面に露光手段73により目的の画像情報に対応した像露光がなされることにより、帯電面の露光明部の電位(本例では明部電位−350Vとする)が選択的に低下(減衰)して電子写真感光体71に静電潜像が形成される。
現像手段としては、例えば本例における現像手段74は、トナーを収容する現像容器の開口部に配設されてトナーを担持搬送するトナー担持体74aと、収容されているトナーを撹拌する撹拌部材74bと、トナー担持体74aのトナーの担持量(トナー層厚)を規制するトナー規制部材74cとを有する構成とされている。現像手段74は、電子写真感光体71の表面の静電潜像の露光明部に、電子写真感光体71の帯電極性と同極性に帯電(本例では現像バイアス−350Vとする)しているトナー(ネガトナー)を選択的に付着させて静電潜像をトナー像として可視化する。現像方式としては特に制限はなく、既存の方法すべてを用いることができる。既存の方法としては、例えば、ジャンピング現像方式、接触現像方式及び磁気ブラシ方式等が存在するが、特にカラー画像を出力する電子写真装置には、トナーの飛散性の改善等の目的より、接触現像方式の現像ローラが好ましい。
転写手段としては転写ローラ75を用いることができる。転写ローラ75は、電子写真感光体71に所定の押圧力で接触させて転写ニップ部を形成させてあり、電子写真感光体71の回転と順方向に電子写真感光体71の回転周速度とほぼ同じ周速度で回転する。また、転写バイアス印加電源S2からトナーの帯電特性とは逆極性の転写電圧が印加される。転写ニップ部に対して不図示の給紙機構部から転写材Pが所定のタイミングで給紙され、その転写材Pの裏面が転写電圧を印加した転写ローラ75により、トナーの帯電極性とは逆極性に帯電されることにより、転写ニップ部において電子写真感光体71の表面に存在するトナー画像が転写材Pの表面側に静電転写される。
転写ニップ部でトナー画像の転写を受けた転写材Pは電子写真感光体71から分離して、不図示のトナー画像の定着手段へ導入されて、トナー画像の定着を受けて画像形成物として出力される。
転写残余トナー等の電子写真感光体71上の残留物は、ブレード型等のクリーニング手段76により、電子写真感光体71上より回収される。
また、電子写真装置として、前記の被帯電体(電子写真感光体)、帯電部材、現像部材、クリーニング部材、トナー容器、廃トナー容器等のうち複数のものを一体に結合したプロセスカートリッジを複写機やレーザービームプリンター等の電子写真装置本体に対して着脱可能に構成しても良い。プロセスカートリッジとすることで、劣化の激しい部材を一括して交換することができる、トナーが飛散することなくトナーの補充と廃トナーの回収をする事ができる等の利点がある。
<プロセスカートリッジ>
本発明に係るプロセスカートリッジは、帯電部材と、電子写真感光体とを備えて、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されており、該帯電部材が、前記帯電部材であることを特徴としている。その一例として、図8に示すように、電子写真感光体84、帯電ローラ85を有する帯電部材、現像ローラ86とトナー供給ローラ87と現像ブレード88を備えた現像部材、クリーニングブレード89および廃トナー容器90により構成されてなるクリーニング部材等を一体化し、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されているものを挙げることができる。
以下、実施例、比較例を示して、更に本発明を具体的に説明する。
〔実施例1〕
<1.ゴムローラの作製>
以下の表1に示す5種類の材料(成分1)を、6リットル加圧ニーダーを用いて、15分間混合した。更に、2種類の材料(成分2)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調製した。
Figure 0005220231
また、芯金として、外径5mm、長さ250mmのステンレス鋼製の棒材を用意した。芯金の円柱面の長手方向の中央部を中心として幅230mmに導電性の接着剤(商品名:「メタロックU−20」、東洋化学研究所製)を塗布し、80℃で30分間乾燥した。
次いで、この芯金を、クロスヘッドを装着した押出機に導入し、芯金と上記で調製した未加硫ゴム組成物とを共押出しして、芯金の周面に未加硫ゴム組成物の層が形成されてなる、直径7.95mmの未加硫ゴムローラを作製した。なお、押出機としては、シリンダー径45mm、〔スクリューの有効長さL/スクリュー直径D〕=20の押出機を使用した。また、押出機の温度としては、ヘッド部を90℃、シリンダー部を90℃、スクリュー部を90℃とした。
成形した未加硫ゴムローラの未加硫ゴム層の両端側を切断して除去し、未加硫ゴム層の長手方向の長さを230mmとした。その後、未加硫ゴムローラを、温度160℃で1時間加熱し、未加硫ゴム層を加硫した。
次に、加硫されたゴム層を、プランジ方式の研磨機で回転砥石を用いて乾式研磨し、ゴム層の長手方向の中央部の外径を7.65mm、該中央部から両端方向へ各90mmの位置の外径を7.50mmのクラウン形状に加工した。こうして得られたクラウン形状のゴム層を有するゴムローラは、ゴム層の中央部の厚さが1.325mmであり、また、クラウン量は150μmであった。
<2.帯電ローラの作製>
図3に示す走査型電子線照射源を用いて、ゴムローラのゴム層の表面に対して、ゴムローラの長手方向の中央部を中心にして両端部に向けて対称的に扇状に電子線を照射して、ゴム層の表面処理を行って、本発明に係る帯電ローラ1を得た。
電子線の照射には電子線照射装置(商品名:「低エネルギー電子線照射源EB−ENGINE」、浜松ホトニクス株式会社製)を用いた。照射時の雰囲気に窒素ガスパージを行い雰囲気の酸素濃度を500ppmとした。ゴムローラは、芯金を回転軸として300rpmで回転させながら、図3の紙面と垂直方向に処理スピード10mm/sで搬送して電子線の照射を行った。電子線照射条件は、加速電圧70kVで線量が1000kGyになるように電子電流を調整した。
(評価1:ユニバーサル硬さ測定)
帯電ローラ1の弾性層の表面硬度をユニバーサル硬さ計にて測定することにより、帯電ローラ1の長手方向の中央部及び両端部(中央部から両端方向へ各90mmの位置)でのユニバーサル硬さ分布の測定を行った。測定は超微小硬度計(商品名:H−100V、Fischer社製)を用いた。また、圧子としては、四角錘型ダイヤモンドを用いた。押し込み速度は以下の条件式(3)で行った。なお、式(3)中、Fは力、tは時間である。
dF/dt=1000mN/200s・・・・・・(3)
測定結果を図5に示す。帯電ローラ1の弾性層の長手方向の中央部及び端部の表面から深さ1μmまでのユニバーサル硬さの最大値を「表面のユニバーサル硬さ」と定義し、また帯電ローラ1の弾性層の表面から深さ10μm位置でのユニバーサル硬さを、「ユニバーサル硬さ(t=10μm位置)」と定義した。
帯電ローラ1の弾性層の長手方向の中央部および両端部の「表面のユニバーサル硬さ」は、各々、3.85N/mm及び4.52N/mmであった。また、帯電ローラ1の弾性層の長手方向の中央部および両端部の「ユニバーサル硬さ(t=10μm位置)」は、各々、0.68N/mm及び0.61N/mmであった。
(評価2:画像評価)
帯電ローラ1を、その両端に各500gの荷重を負荷した状態で、電子写真感光体に圧接させた状態となるようにプロセスカートリッジに組み込んだ。
次いで、このプロセスカートリッジを、A4サイズの紙を縦方向に搬送し、出力する電子写真装置(商品名:LBP7200C、キヤノン株式会社製)に装填した。そして、この電子写真装置を用いて、電子写真画像を6000枚出力した。ここで出力した電子写真画像は、サイズが4ポイントのアルファベット「E」の文字が、A4サイズの紙上に、印字濃度が1%となるように印字される画像である。また、電子写真画像の出力は、2枚出力する毎に10秒間かけて電子写真感光体ドラムの回転を停止させる、いわゆる間欠モードにて行った。そして、6000枚の電子写真画像の出力が終了したら、引き続いてハーフトーン画像を1枚出力した。
その後、上記電子写真装置からプロセスカートリッジを取り出し、そのプロセスカートリッジから帯電ローラを取り出して、その表面の汚れの付着状況を目視で観察した。また、ハーフトーン画像について、帯電ローラの表面の汚れに対応した位置における「スジ」等の欠陥の有無を目視で観察した。評価基準は表2に示した。
Figure 0005220231
〔実施例2及び3〕
実施例1と同様にしてクラウン形状の加硫されたゴム層を有するゴムローラを2本作製した。これらのゴムローラの弾性層に対して、電子線照射条件を表5に記載したように変更した以外は、実施例1に係る帯電ローラ1と同様にして、帯電ローラ2及び帯電ローラ3を得た。これらの帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
〔実施例4〕
以下の表3に示す材料を用いた以外は、実施例1と同様にしてゴムローラを作製した。そして、このゴムローラを用いた以外は、実施例1と同様にして帯電ローラ4を作製した。この帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
Figure 0005220231
〔実施例5〕
実施例1と同様にしてゴムローラを得た。次いで以下の方法でゴム層を処理して帯電ローラ5を得た。
すなわち、ゴムローラのゴム層の長手方向の長さ230mmのうちの両端各15mm幅の部分を除く中央部を、厚さ100μmのステンレス鋼製のシートで、ゴム層の表面を被覆した。この状態で、ゴム層の表面に対して、エリア型電子線照射源(商品名:「EC150/45/40mA」、岩崎電気株式会社製)を用いて、加速電圧80kVの電子線を照射し、ゴム層の両端各15mm幅の部分を表面処理した。
次に、ゴム層の長手方向の両端から各15mm〜30mmの部分以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、ゴム層の長手方向の両端から各15mm〜30mmの部分に加速電圧90kVの電子線を照射した。
次いで、ゴム層の長手方向の両端から各30mm〜45mmの部分以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、ゴム層の長手方向の両端から各30mm〜45mmの部分に加速電圧100kVの電子線を照射した。
次いで、ゴム層の長手方向の両端から各45mm〜60mmの部分以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、ゴム層の長手方向の両端から各45mm〜60mmの部分に加速電圧110kVの電子線を照射した。
次いで、ゴム層の長手方向の両端から各60mm〜75mmの部分以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、ゴム層の長手方向の両端から各60mm〜75mmの部分に加速電圧120kVの電子線を照射した。
次いで、ゴム層の長手方向の両端から各75mm〜90mmの部分以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、ゴム層の長手方向の両端から各75mm〜90mmの部分に加速電圧130kVの電子線を照射した。
次いで、ゴム層の長手方向の両端から各90mm〜105mmの部分以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、ゴム層の長手方向の両端から各90mm〜105mmの部分に加速電圧140kVの電子線を照射した。
更に、ゴム層の長手方向の中央から両端方向へ各10mm幅の部分(合計幅20mmの部分)以外をステンレス鋼製のシートで被覆し、この幅20mmの部分に加速電圧150kVの電子線を照射した。こうして、帯電ローラ5を得た。
なお、電子線の照射には電子線照射装置(商品名:「EC150/45/40mA」、岩崎電気株式会社製)を用いた。照射時の雰囲気に窒素ガスパージを行い、雰囲気の酸素濃度を500ppmとした。また、ゴムローラは500rpmで回転させながら、図4の紙面と垂直方向に処理スピード10mm/sで搬送した。電子線照射条件としては、各加速電圧での線量が1000kGyになるように電子電流を調整した。
この帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。帯電ローラ5の長手方向の中央部及び両端部(中央部から両端方向へ各90mmの位置)でのユニバーサル硬さ分布の測定結果を図6に示す。
〔実施例6〕
芯金として直径が6mm、長さ250mmのステンレス鋼製の棒材を用いた以外は実施例1と同様の方法を用いて、直径8.3mmの未加硫ゴムローラを作製し、実施例1と同様にして未加硫ゴム層を加硫した。次いで、加硫されたゴム層を実施例1と同様の方法で研磨し、ゴム層の長手方向の中央部および中央部から両端方向へ各90mmの位置における直径を表4に記載した寸法としたゴムローラを作製した。このゴムローラのゴム層の中央部の厚さおよびクラウン量も表4に示す。
次いで、このゴムローラに対して実施例1と同じ条件にて電子線を照射し、帯電ローラ6を得た。この帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
〔実施例7、10及び11〕
芯金として直径が6mm、長さ250mmのステンレス鋼製の棒材を用いた以外は実施例1と同様の方法を用いて、それぞれ直径12.5mm(実施例7)、直径7.5mm(実施例10)及び直径14.4mm(実施例11)の未加硫ゴムローラを作製し、実施例1と同様にして未加硫ゴム層を加硫した。次いで、加硫されたゴム層を実施例1と同様の方法で研磨し、ゴム層の長手方向の中央部および中央部から両端方向へ各90mmの位置における直径を表4に記載した寸法としたゴムローラを作製した。これらのゴムローラのゴム層の中央部の厚さおよびクラウン量も表4に示す。
次いで、これらのゴムローラに対して実施例1と同じ条件にて電子線を照射し、帯電ローラ7、10及び11を得た。これらの帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
〔実施例8、9、12及び13〕
実施例1と同様にして、未加硫ゴム層の長手方向の中央部および中央部から両端方向へ各90mmの位置における直径を表4に記載した寸法とした未加硫ゴムローラを作製し、実施例1と同様にして未加硫ゴム層を加硫した。次いで、加硫されたゴム層を実施例1と同様の方法で研磨し、ゴム層の長手方向の中央部および中央部から両端方向へ各90mmの位置における直径を表4に記載した寸法としたゴムローラを作製した。これらのゴムローラのゴム層の中央部の厚さおよびクラウン量も表4に示す。
次いで、これらのゴムローラに対して実施例1と同条件にて電子線を照射し、帯電ローラ8、9、12および13を得た。これらの帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
〔比較例1〕
実施例5において、ゴムローラのゴム層の表面をステンレス鋼製のシートで被覆することなく、加速電圧150kVの電子線を照射して帯電ローラC1を作製した。
なお、電子線照射の際には、周囲雰囲気を、窒素ガスパージして、酸素濃度を500ppmとし、ゴムローラは500rpmで回転させながら処理スピード10mm/sで搬送した。電子線照射条件としては、加速電圧150kVの線量が1000kGyになるように電子電流を調整した。この帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
〔比較例2〕
実施例1と同じ方法によってゴムローラを作製した。次いで、このゴムローラの弾性層の長手方向の各端部40mm幅の部分を除く部分(長手方向の幅150mm)を、厚さ100μmのステンレス鋼製のシートで被覆した。この状態で、弾性層の表面に対して、エリア型電子線照射源を用いて、加速電圧150kVで線量が2000kGyになるように電子電流を調整して電子線を照射した。
その後、弾性層の長手方向の各端部の幅40mmの部分を、厚さ100μmのステンレス鋼製のシートで被覆した。この状態で、加速電圧150kVで線量が1000kGyになるように電子電流を調整して電子線を照射した。
このようにして、弾性層の長手方向の中央部と両端部で、電子線の線量のみを変化させて処理した帯電ローラC2を得た。この帯電ローラを、実施例1に記載の評価1および評価2に供した。
上記実施例1〜13および比較例1〜2に係るゴムローラについて、弾性層の長手方向中央部および長手方向の中央部から両端方向に各90mmの位置における直径、弾性層の長手方向の中央部における弾性層の厚み、および、弾性層の長手方向の中央部および長手方向の中央部から両端方向に各90mmの位置での直径に基づくクラウン量を表4に示す。また、各実施例および比較例における電子線照射条件を表5に示す。さらに、実施例1〜13に係る帯電ローラ1〜13、および比較例1〜2に係る帯電ローラC1〜C2について、評価1および評価2の結果を表6に示す。
Figure 0005220231
Figure 0005220231
Figure 0005220231
11 芯金
12 弾性層
13 弾性層の表層部の硬化領域
21 電子線発生部
22 照射室
23、33、43 照射口
24 電子源(電子銃)
25、44 加速管
26、34、45 フィラメント
27 照射口箔
28、39、47 ゴムローラ
29 ローラ回転用部材
31、41 電子銃
32、42 電子線発生部の容器
35 電子線通過孔
36 電磁コイル
37 偏向コイル
38、46 照射窓
48 マスキング
71、84 電子写真感光体
72、85 帯電ローラ
73 露光手段
74 現像手段
75 転写ローラ
76 クリーニング手段

Claims (10)

  1. 芯金と、導電性の弾性層とを有する帯電部材であって、該弾性層のユニバーサル硬さは、その表面から深さ方向に向かって小さくなっており、該弾性層の、該帯電部材の長手方向における中央部及び両端部のユニバーサル硬さの関係が、該弾性層の表面においては、両端部が中央部よりも高く、且つ、該弾性層の表面から深さtμmの位置においては、中央部が両端部よりも高いことを特徴とする帯電部材。
  2. 前記弾性層の厚さが0.5mm以上3.5mm以下である請求項1に記載の帯電部材。
  3. 前記深さtが、5μm以上50μm以下である請求項1または2に記載の帯電部材。
  4. 前記帯電部材のクラウン量が60μm以上220μm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の帯電部材:
    [但し、クラウン量は、帯電部材の長手方向における中央部の外径をD2(μm)、両端部(中央部から両端方向へ各90mmの位置)の外径をそれぞれD1(μm)及びD3(μm)とした場合に、下記の式(1)にて算出される値である。
    クラウン量C=D2−(D1+D3)/2・・・・・・(1)]。
  5. 前記弾性層がゴムを含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の帯電部材。
  6. 前記ゴムがスチレン−ブタジエンゴムまたはアクリロニトリル−ブタジエンゴムである請求項5に記載の帯電部材。
  7. 前記弾性層が導電剤を更に含む請求項1〜6のいずれか一項に記載の帯電部材。
  8. 前記帯電部材の弾性層は、その長手方向における中央部の外径よりも両端部の外径が小さいクラウン形状を有する請求項1〜7のいずれか一項に記載の帯電部材。
  9. 帯電部材と、該帯電部材に接触して配置されている電子写真感光体とを備えている電子写真装置であって、該帯電部材が、請求項1〜8のいずれか一項に記載の帯電部材であることを特徴とする電子写真装置。
  10. 帯電部材と、電子写真感光体とを備え、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されているプロセスカートリッジであって、該帯電部材が、請求項1〜8のいずれか一項に記載の帯電部材であることを特徴とするプロセスカートリッジ。
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