JP5709614B2 - ゴムローラの押出成形装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電子写真装置に用いられるゴムローラの押出成形装置および製造方法に関する。

特許文献１には、軸体を移送することのできる移送路が内部に形成されたスクリューと、前記スクリューにより押出されてきた導電性組成物を収納するヘッドと、前記移送路から移送されてくる前記軸体を前記ヘッド内部に案内する案内孔が内部に形成されたマンドレルとを備えた押出機を用いて電子写真装置に用いる導電性ローラを製造する方法が開示されている。この方法によれば、導電性ゴム円筒体上にウエルドラインが生じることは無く、導電性ゴム円筒体周方向の電気抵抗値のむらが小さい導電性ゴムローラを得ることができることが記載されている。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、この方法においては、マンドレルとスクリューの接続部からゴム組成物の流出が生じて、ゴム組成物の押出量に変動が生じる場合があることが確認された。また、接続部からのゴム流出低減のために、接続部の接合を強固なものにした場合、スクリューの動作不安定や接続部の破損を生じる場合があり安定した製造が困難な場合が確認された。このため、マンドレルを省略した装置を用いて導電性ゴムローラの製造を試みたところ、スクリュー内部の移送路と軸体の間に生じる摩擦力によって軸体がその周方向に回転して、導電性組成物と軸体の密着力が弱まり、導電性組成物と軸体との間に剥離部分が生じ、当該剥離部分において軸体と導電性ゴム円筒体の導通不良が生じ、画像上に濃度差となって現われる場合があることが確認された。

特開２００８−１１６７０９号公報

本発明の目的は、ローラ円周方向の電気抵抗値のばらつきが小さい導電性ゴムローラを得るゴムローラの押出成形装置およびそれを用いた導電性ゴムローラの製造方法を提供することにある。

前記課題は以下の本発明〔１〕、〔２〕及び〔３〕によって解決される。

〔１〕芯金の搬送部、ゴム組成物の投入口を有するシリンダ、該シリンダ内に配設された、該芯金を移送するための貫通孔を内部に有するスクリュー、および、該シリンダの先端に該スクリューから排出されたゴム組成物を該貫通孔から排出された該芯金に被覆するためのダイ、を具備するゴムローラの押出成形装置であって、該スクリューが、該貫通孔の内壁と該芯金との摩擦を低減させるための摩擦低減部材を有し、該摩擦低減部材が、ころがり軸受け、回転軸シールまたは前記貫通孔に装着されてなる樹脂製のスリーブであることを特徴とするゴムローラの押出成形装置。

〔２〕芯金の搬送部、ゴム組成物の投入口を有するシリンダ、該シリンダ内に配設された、該芯金を移送するための貫通孔を内部に有するスクリュー、および、該シリンダの先端に該スクリューから排出されたゴム組成物を該貫通孔から排出された該芯金に被覆するためのダイ、を具備するゴムローラの押出成形装置であって、該貫通孔の内壁が、該貫通孔を移送される該芯金との摩擦を低減させるための表面処理が施されていることを特徴とするゴムローラの押出成形装置。

〔３〕前記ゴムローラの押出成形装置にゴム組成物及び芯金を供給し、前記ダイにおいて前記貫通孔から移送された前記芯金に前記ゴム組成物を被覆する工程を有するゴムローラの製造方法。

本発明に係る押出成形装置によれば、芯金の外周にゴム組成物が被覆される際に、スクリュー内部貫通孔と芯金の間に生じる摩擦力を低減することが可能であって、芯金の周方向の回転が抑制されるため、芯金とゴム被覆層との密着力が損なわれ難くなり、芯金とゴム被覆層の剥離による製造不良を低減することできる。その結果、本発明に係る押出成形装置によれば、円周方向の電気抵抗値のばらつきが小さいゴムローラを効率良く安定して得ることができる。

本発明に係る押出成形装置の模式図である。 芯金排出口に玉軸受けを有するスクリューの部分模式断面図である。 芯金排出口に断面形状が矩形の回転軸シールを装着したスクリューの部分模 式断面図である。 芯金排出口に断面形状がＵ字型の回転軸シールを装着したスクリューの部分 模式断面図である。 スクリュー内部貫通孔にＰＦＡ処理（テトラフルオロエチレンーパーフルオ ロアルキルビニルエーテルコポリマー処理）を施したスクリューの部分模式断面図で ある。 画像形成装置の概略構成図である。 導電性ゴムローラの電気抵抗値測定器である。

＜押出成形装置＞
以下、本発明に係る押出成形装置を図１〜５を参照して説明する。図１の押出成形装置は、芯金の搬送部と、シリンダ内に配設された内部貫通孔を有するスクリュー５１とシリンダ１３とを具備する押出機５０と、ダイ３５を備えている。そして、この貫通孔５２の全長に亘って摩擦低減部材としてポリアセタール製スリーブ５８が装着されている。

押出機の一端には、芯金の搬送部である芯金送りロール５６が設置されており、スクリューの内部貫通孔へ芯金２３を連続的に供給することが出来る。スクリューは、図示しないモータおよび変速機が接続されており、スクリューへ回転駆動力を付与する。シリンダにはゴム組成物投入口１２が備えられており、シリンダ先端部の排出口１５には円形状のダイが、その中心軸がスクリュー中心軸と一致するように接続される。なお、排出口１５にはスクリューの芯金排出口から移送された芯金が通過できる孔を有するブレーカプレートやメッシュを設置することが出来る。

＜摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理＞
［材料］
摩擦低減部材の材料としては、貫通孔の内壁と芯金との摩擦力を低減できるものであればよく、具体的にはフッ素樹脂やポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンなどの樹脂材料のほかに、セラミック、金属など既知の材料を用いることが出来る。

貫通孔の内壁と芯金との摩擦を低減させるための表面処理の材料としては、窒化処理や、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂処理などに代表される既知の表面処理に用いられる材料を挙げることができる。さらに、摩擦低減のための表面処理としてフッ素樹脂処理も好適であり、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンーパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂処理が可能である。

［表面粗さ］
摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理の芯金と接触する内周面の表面粗さについては特に限定されるものではなく、前記芯金と前記内周面の間に生じる摩擦力の低減効果が高い表面状態を適宜選択することが出来る。

［長さ、内径、設置位置］
摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理の長さは、前記摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理部のスクリュー貫通孔内周面と芯金の間に生じる芯金周方向の摩擦力を低減することができる大きさであれば特に制限を受けない。また、摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理はスクリュー貫通孔の先端近傍、すなわち芯金排出口近傍において設置または実施することが好ましい。芯金が芯金排出口から排出されながら、スクリューから押出されたゴム組成物を被覆される間、芯金はゴム組成物と芯金排出口によって保持される。このため、摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理を芯金排出口近傍において設置または実施することで、前記芯金が前記芯金排出口から完全に排出されるまでの間、芯金とスクリュー貫通孔の間に生じる摩擦力を低減することが可能となる。従って、前記芯金の回転による前記芯金と前記被覆ゴム被覆層との密着不良を一層防止できるものである。

摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理部の内径は、摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理部のスクリュー貫通孔と芯金に生じる摩擦力を低減することが出来る大きさであれば特に制限を受けない。しかし、後述の摩擦低減部材に回転軸シールを用いる場合を除いて、押出方向における芯金の移送が容易に行えるように、摩擦低減部材または摩擦低減のための表面処理部の内径は芯金外径よりも大きいことが好ましい。

［形態］
摩擦低減部材の形態は特に限定されるものではなく、芯金との摩擦力を低減できる形態を選択することができる。具体的にはスリーブ状、円筒状、環状などの形態を選択でき、例えば樹脂製のスリーブである。特に摩擦低減部材としてころがり軸受けを用いると、芯金とスクリューの間に生じる芯金周方向の摩擦力低減効果がより高まる。

図２にスクリュー貫通孔に摩擦低減部材としてころがり軸受けを具備する例に関する断面模式図を示す。本発明に適用されるころがり軸受けの種類は特に制限されることは無い。ただし、ころがり軸受けは芯金を介してスラスト荷重とラジアル荷重を受ける場合があるため、前記の両荷重を受けられるアンギュラ玉軸受けなどの軸受けを用いることが望ましい。

また、摩擦低減部材として回転軸シールを具備することが挙げられる。この回転軸シールは、芯金の外周面に接触して、環状流路からのゴム組成物のスクリュー貫通孔への流入を防止または低減するための円環状の密封装置である。スクリュー内部貫通孔５２へ環状流路からゴム組成物が流入すると、芯金２３の押出方向への移動が不安定や不可能になることから、これを防止する目的で設置されるものである。回転軸シールの位置としては、スクリュー内部貫通孔５２へのゴム組成物１１の流入量を少なくするために、図３及び図４に示すように、回転軸シール７１および６０は可能な限り芯金排出口５４に近い位置に設けることが望ましい。

回転軸シールには、Ｏリングやオイルシール、メカニカルシールなどのシール部材を用いることができる。回転軸シールの形状は、所定厚さの円環状で、横断面形状がＯ形、三角形、Ｕ形、Ｖ形、Ｘ形、矩形などの形状を用いることができる。回転軸シールの材質としては、ＮＢＲやＥＰＤＭ、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどを主成分とする合成ゴムやポリプロピレンやポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアセタール、ポリイミドなどを主成分とする樹脂を用いることができる。

なお、摩擦低減部材として回転軸シールを用いる場合は、芯金外周面と回転軸シール内周面が接触する必要があるため、回転軸シール内周面と芯金外周面の間に生じる芯金周方向の摩擦力を、スクリュー内部貫通孔と芯金外周面の間に生じる芯金周方向の摩擦力よりも小さくなるように、回転軸シール内周面の大きさ、材質、表面粗さを調整する必要がある。ただし、ころがり軸受けの内周面に回転軸シールを装着することで、回転軸シールと芯金外周面の間に生じる芯金周方向の摩擦力を小さくしつつ、スクリュー貫通孔へのゴム組成物の流入を低減することができる。このため、回転軸シール内周面の大きさ、材質、表面粗さの調整を簡略化することが可能である。

＜スクリューのフライト形状＞
本発明の押出成形装置におけるスクリューは、その内部に芯金を移送するための貫通孔と、この貫通孔に具備された摩擦低減部材または摩擦低減手段を有していることが特徴である。ゴム組成物を搬送するためのフライト形状は、スクリュー全長にわたってフライト間隔が一定であるものや、変化するもの、途中でゴム組成物の混練効果やゴム組成物に含まれる水分などを脱気するために溝形状が変化する場合など、所望のフライト形状を用いることができる。

＜ローラの製造方法＞
以下に本発明に係る押出成形装置を用いて、ゴムローラの製造方法を説明する。押出機５０の投入口１２に投入されたゴム組成物１１はシリンダ１３内にてシリンダと内部貫通孔を有するスクリュー５１から受けるせん断力により可塑化および混練されて、押出機の排出口へ搬送される。一方、芯金は、芯金送りロール５６によって、スクリューの内部貫通孔へ連続的に移送される。可塑化、混錬されたゴム組成物は、シリンダと芯金外周面で構成される環状流路３４にて円筒状に形成されつつ、貫通孔から移送された芯金２３の外周部を被覆する。その後に円形状のダイ３５にて所望の外径寸法に調整されて、未加硫のゴムローラ２１となる。こうして得られたゴムローラを加硫してゴムローラ２６を得る。

ゴムローラ２１の外周面の形状は、芯金２３の送り速度やスクリュー回転数を変化させて任意の形状、例えば以下の形状、とすることがでる。外周面長に亘って一定であるストレート型、外形がローラの軸方向中央部から軸方向両端部に向けて漸次減少していくクラウン形状、ローラの軸方向中央部から軸方向端部に向けて漸次増加していく逆クラウン形状、及び、ローラの軸方向一端部から他端部に向けて漸次大きくなるテーパ形状。

尚、ゴムローラの外周面の形状は押出成形後に、その表面を研摩して前記形状にすることもできる。

［原材料］
本発明で使用されるゴム組成物の原料としては、以下のものが挙げられる。天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、エピクロルヒドリンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム。

前記ゴム原料中に分散させる導電性粒子としては、ケッチェンブラックＥＣ、アセチレンブラック、ゴム用カーボン、酸化処理を施したカラー（インク）用カーボン、および、熱分解カーボンなどの導電性のカーボンを用いることができる。ゴム用カーボンとして、具体的には以下のものが挙げられる。Ｓｕｐｅｒ Ａｂｒａｓｉｏｎ Ｆｕｒｎａｃｅ（ＳＡＦ：超耐摩耗性）、Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｓｕｐｅｒ Ａｂｒａｓｉｏｎ Ｆｕｒｎａｃｅ（ＩＳＡＦ：準超耐摩耗性）、Ｈｉｇｈ Ａｂｒａｓｉｏｎ Ｆｕｒｎａｃｅ（ＨＡＦ：高耐摩耗性）、Ｆａｓｔ Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ（ＦＥＦ：良押し出し性）、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｕｒｐｏｓｅ Ｆｕｒｎａｃｅ（ＧＰＦ：汎用性）、Ｓｅｍｉ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ（ＳＲＦ：中補強性）、Ｆｉｎｅ Ｔｈｅｒｍａｌ（ＦＴ：微粒熱分解）およびＭｅｄｉｕｍ Ｔｈｅｒｍａｌ（ＭＴ：中粒熱分解）など。

また、天然グラファイトおよび人造グラファイトなどのグラファイトを用いることもできる。また、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、ＺｎＯなどの金酸化物、ＳｎＯ₂とＳｂ₂Ｏ₃の固溶体、ＺｎＯとＡｌ₂Ｏ₃の固溶体などの複酸化物、Ｃｕ、Ａｇなどの金属粉等を始めとして、公知の各種のものが使用でき、それらを単独で、または複数種をブレンドして使用してもよい。また導電性ポリマー、イオン導電剤などを前記導電性粒子と併用して導電性を付与しても良い。また上記ゴム原料に、加硫剤、加硫促進剤、導電剤、帯電制御剤、可塑剤、老化防止剤等を適宜に添加することもできる。さらに、帯電防止剤、紫外線吸収剤、補強剤、充填剤、滑剤、離型剤、顔料、染料、難燃剤等を必要に応じて適宜に添加することもできる。

［実施例１］
表１に示す材料をオープンロールで混錬して導電性ゴム組成物を得た。このゴム組成物を図１に示す押出成形装置のゴム組成物投入口１２に供給すると共に、直径５．９７ｍｍ、長さ２５２ｍｍの鋼製の芯金を芯金導入口５３から芯金供給口５４の方向へ一定速度で連続的に移送した。これにより芯金の外周面をゴム組成物で被覆し、外周面外径が芯金軸方向に亘って一定（８．９ｍｍ）であるゴムローラを得た。

なお、摩擦低減部材として内径６．０３ｍｍの内周面を有するポリアセタール製のスリーブ５８をスクリュー内部貫通孔の全長に亘って装着した。

押出機はシリンダ内径４５ｍｍ、Ｌ／Ｄが２０であるベント式押出機を用いた。スクリューフライト形状は、ベントゾーンを除く箇所についてフルフライト形状とし、押出成形温度はシリンダおよびダイを９０℃とする温度条件１と前記温度条件を１００℃とする温度条件２の二条件で成形したのち、ゴムローラを１６０℃の熱風炉で一時間加硫した。さらにゴム部の長さが２３０ｍｍになるようにゴム部の両端部を切断して、当該ゴム部を回転砥石で研摩し、ゴムローラの外形を端部直径８．３ｍｍ、中央部８．５ｍｍのクラウン形状とした。さらに波長２５０ｎｍ近傍の紫外線ランプ（ハリソン東芝ライティング（株）製の低圧水銀ランプ）を当該ローラ軸方向と平行に設置して、当該ローラを円周方向に回転させながら紫外線を２分間照射して、表面に高加硫層を形成した上で、導電性ローラとした。

このようにして得られた導電性ローラについて、１．画像濃度むらの評価（芯金とゴム被覆層の剥離状態の確認）、２．スクリュー貫通孔へのゴム組成物の流入長さの測定、及び、３．円周方向電気抵抗値のばらつきの測定を実施した。

〈１．画像濃度むらの評価（芯金とゴム被覆層の剥離状態の確認）〉
帯電ローラ（導電性ローラ）を、図６の構成を有する電子写真装置であるＬＢＰ５５００（キヤノン（株）製、商品名）に、被帯電体と共に取り付けた。なお、被帯電体は、ポリカーボネート系樹脂を主体とする電荷輸送層をもつ。そして、温度１５℃、湿度１０％ＲＨの環境下においてハーフトーン画像（感光体の回転方向と垂直方向に幅１ドット、間隔２ドットの横線を描く画像）を出力した。得られた画像を目視で観察し、帯電ローラの芯金とゴム被覆層の剥離に起因する帯状またはスジ状の「濃度むら」の有無および程度を下記の基準で評価し、全製造数における各基準の割合を算出した。
Ａ：濃度むらは認められない。
Ｂ：わずかな濃度むらが認められる。
Ｃ：濃度むらが認められる。
Ｄ：顕著な濃度むらが認められる。

〈２．ゴム組成物の貫通孔への流入長さ及び芯金引き抜き力の測定〉
押出成形後にスクリュー貫通孔に芯金を設置したままスクリューを押出成形装置から取り外し、芯金をスクリュー排出口から抜き取って、ゴム組成物の前記貫通孔への流入長さを測定した。尚、この流入長さが７ｍｍ以上になると、芯金移動がスティックスリップを起こすか芯金移動が困難になる場合がある。芯金を抜き取る時に、ばねはかりを芯金に固定して、芯金を引き抜くときの荷重の最大値を測定し、芯金引き抜き力を測定した。芯金引き抜き力が小さいほど押出成形時の芯金の挿通が安定しているが、１０Ｋｇ以下であれば実用上芯金送りには問題が無い。

〈３．周方向電気抵抗値のばらつき〉
図７に示す電子写真用導電性部材の電気抵抗測定装置を用いて帯電ローラの円周方向電気抵抗値のばらつきを測定した。帯電ローラの芯金は両端部を図に示さない押圧手段で５００ｇの荷重で円柱状のステンレスドラム１０２に圧接され、ステンレスドラム１０２の駆動に伴い従動回転する。この状態で、帯電ローラ２６の芯金２３に外部電源１０５を用いて直流電圧を印加して、ステンレスドラム１０２に直列に接続した基準抵抗１０３にかかる電圧から、帯電ローラの電気抵抗値を計算した。

直流電源には小型電源ＰＬ−６５０−０．１（松定プレシジョン社製、商品名）を、電圧計にはＤＬ７５０（横河社製、商品名）を使用した。測定環境を温度２３℃、湿度５０％ＲＨとして、芯金と金属ドラムの間に直流２００Ｖの電圧を印加して０．０１秒ごとに１．３秒間測定した。そして、その測定値の最大値÷最小値を電気抵抗値のばらつきとして算出した。評価結果を表２に示す。

［実施例２］
実施例１において、図３のごとくスクリュー貫通孔５２の先端に摩擦低減部材として内径６．０３ｍｍ、長さ１０ｍｍで、断面が矩形状であるポリアミド製の円環状部材（回転軸シール）７１を装着した。その他は実施例１と同様にして帯電ローラを得て評価した。評価結果を表２に示す。

［実施例３］
実施例１において、図２のごとくスクリュー貫通孔５２の先端に摩擦低減部材としてアンギュラ玉軸受け７２を設置した。アンギュラ玉軸受けの内径は６．０９ｍｍであり、その他は実施例１と同様にして帯電ローラを得て評価した。評価結果を表２に示す。

［実施例４］
実施例１において、図４のごとくスクリュー貫通孔５２の先端に摩擦低減部材として断面がＵ字型であるフッ素樹脂を主成分とする回転軸シールを設置した。回転軸シールの芯金と接触する内周面の内径は５．９５ｍｍであり、その他は実施例１と同様にして帯電ローラを得て評価した。評価結果を表２に示す。

［実施例５］
実施例１において、図５のごとくスクリュー貫通孔全域に摩擦低減のための表面処理としてＰＦＡコーティングを施した。ＰＦＡコーティング後のスクリュー内部貫通孔の内径は６．１０ｍｍであり、その他は実施例１と同様にして帯電ローラを得て評価した。評価結果を表２に示す。

［比較例１］
本比較例では、図１に示す押出成形装置において摩擦低減部材および摩擦低減のための表面処理を設置または実施せず、その他は実施例１と同様にして帯電ローラを得て評価した。評価結果を表２に示す。

１０・・・押出機
１１・・・ゴム組成物
１２・・・ゴム組成物投入口
１３・・・シリンダ
１５・・・排出口
２１・・・ゴムローラ
２２・・・ゴム円筒体
２３・・・芯金
３５・・・ダイ
５１・・・内部貫通孔を有するスクリュー
５２・・・スクリュー内部貫通孔
５３・・・芯金導入口
５４・・・芯金排出口
５６・・・芯金送りロール
５８・・・スリーブ
６０・・・回転軸シール
７１・・・回転軸シール（円環状部材）
７２・・・ころがり軸受け
７８・・・ＰＦＡ表面処理

Claims (5)

1. 芯金の搬送部、ゴム組成物の投入口を有するシリンダ、該シリンダ内に配設された、該芯金を移送するための貫通孔を内部に有するスクリュー、および、該シリンダの先端に該スクリューから排出されたゴム組成物を該貫通孔から排出された該芯金に被覆するためのダイ、を具備するゴムローラの押出成形装置であって、
   該スクリューが、該貫通孔の内壁と該芯金との摩擦を低減させるための摩擦低減部材を有し、
   該摩擦低減部材が、ころがり軸受け、回転軸シールまたは前記貫通孔に装着されてなる樹脂製のスリーブであることを特徴とするゴムローラの押出成形装置。
2. 前記摩擦低減部材が、前記スクリューの先端に設置されている請求項１に記載のゴムローラの押出成形装置。
3. 芯金の搬送部、ゴム組成物の投入口を有するシリンダ、該シリンダ内に配設された、該芯金を移送するための貫通孔を内部に有するスクリュー、および、該シリンダの先端に該スクリューから排出されたゴム組成物を該貫通孔から排出された該芯金に被覆するためのダイ、を具備するゴムローラの押出成形装置であって、
   該貫通孔の内壁が、該貫通孔を移送される該芯金との摩擦を低減させるための表面処理が施されていることを特徴とするゴムローラの押出成形装置。
4. 前記表面処理が、窒化処理またはフッ素樹脂処理である請求項３に記載のゴムローラの押出成形装置。
5. 請求項１〜４のいずれかの一項に記載のゴムローラの押出成形装置にゴム組成物及び芯金を供給し、前記ダイにおいて前記貫通孔から移送された前記芯金に前記ゴム組成物を被覆する工程を有するゴムローラの製造方法。