JP6706101B2 - 電子写真用の導電性部材、プロセスカートリッジおよび電子写真装置 - Google Patents

電子写真用の導電性部材、プロセスカートリッジおよび電子写真装置 Download PDF

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Description

本発明は、電子写真用の導電性部材、プロセスカートリッジおよび電子写真装置に関する。
電子写真画像形成装置(以降、「電子写真装置」ともいう)には、帯電部材の如き電子写真用の導電性部材が使用されている。 電子写真感光体の如き被帯電体と接触させて該被帯電部材の表面を帯電させるための帯電部材に対しては、被帯電体を長期に亘って安定に帯電させることが求められている。
特許文献1には、長期に亘って繰り返し使用した場合にも、表面の汚れに起因する帯電不良や帯電能力の低下が生じ難い帯電部材が開示されている。具体的には、帯電部材の表面層に、導電性樹脂粒子に由来する凸部を設けてなる帯電部材を開示している。
また、特許文献2は、導電性被覆部材の表面自由エネルギーを30mN/m以上とし、かつ、その表面全面に粒子径が3.0μm以下の有機微粒子または無機微粒子の層を有する帯電ロールを開示している。
特開2008−276026号公報 特開2006−91495号公報
本発明は、安定して被帯電体を帯電させることができる電子写真用の導電性部材を提供することに向けたものである。また、本発明は、高品位な電子写真画像の形成に資するプロセスカートリッジおよび電子写真画像形成装置の提供に向けたものである。
本発明の一態様によれば、導電性支持体と、該導電性支持体の上に形成された表面層とを有し
該表面層が3次元的に連続な骨格を有し、かつ、厚み方向に連通してなる細孔を有し、
該表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影し、該領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、貫通孔が含まれている正方形の数が100個以下であり、
該骨格は、非導電性であり、かつ、
該骨格は、ネックを介して互いに結合した複数の粒子で構成され、
該粒子の円相当径の平均値D1が0.1μm以上20μm以下である、
電子写真用の導電性部材が提供される。
また本発明の他の態様によれば、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されるプロセスカートリッジであって、上記の導電性部材を具備しているプロセスカートリッジが提供される。
さらに本発明の他の態様によれば、上記の導電性部材を具備している電子写真装置が提供される。
本発明の一態様によれば、安定して被帯電体を帯電させることができる電子写真用の導電性部材を得ることができる。また、本発明の他の態様によれば、高品位な電子写真画像の安定した形成に資するプロセスカートリッジおよび電子写真装置を得ることができる。
帯電部材の表面への汚れの付着のメカニズムの説明図である。 本発明に係るローラ形状の導電性部材の一例を示す断面図である。 表面層のチャージアップを説明するための図である。 ネックの説明図である。 細孔の評価方法の説明図である。 ネックの確認画像例を示す図である。 離間部材の一例を示す図である。 本発明に係るプロセスカートリッジの説明図である。 本発明に係る電子写真画像形成装置の説明図である。 本発明に係る表面層の形成に用いる塗布装置の説明図である。
本発明者らは、特許文献1および特許文献2に係る帯電部材について検討を行い、トナーや外添剤の付着を抑制する効果を有することを確認した。しかしながら、近年、電子写真画像の高精細化に伴って、帯電部材と被帯電体との間に印加する帯電電圧が大きくなる傾向にある。すなわち、帯電電圧を大きくすることによって、現像コントラストを大きくでき、その結果、色の階調を増大させることができる。
しかし、帯電電圧を大きくすると、局所的に放電電荷量が増加する異常放電が生じ易くなる。低温低湿環境下においては、異常放電が特に生じやすくなる。
(汚れ)
また、特許文献1および特許文献2に係る帯電部材によれば、トナーや外添剤の表面への物理的な付着を抑制し得ることを確認した。しかしながら、トナーや外添剤の、帯電部材の表面への静電的な付着の抑制には未だ改善の余地があるものと認識した。
すなわち、帯電部材の表面及び付着物には、放電により帯電電圧とは逆極性のイオンが付着する。そのため、放電を受けるにつれ静電的な付着力が増加する。特に、低温低湿環境下においては、空気中の水分によって汚れの荷電がキャンセルされにくい。そのため、帯電部材の表面には、トナーや外添剤がより付着しやすくなる。
図1を用いてマイナス帯電の場合について説明する。帯電部材10は電源13に接続され、アース14に接地された感光ドラム11と対向する。この帯電部材10と感光ドラム11との空隙で放電は生成し、電界に従ってマイナス極性の電子が感光ドラム11へ、プラス極性のイオンが帯電部材10の表面へひきつけられる。このとき、帯電部材10の表面に、トナーの如き汚れ12が存在すると、帯電部材10に引き付けられたプラス極性のイオンが汚れ12に付着し、汚れ12はプラスに帯電する。その結果、マイナスに帯電された帯電部材10との静電引力が増加し、汚れ12は帯電部材10の表面に強力に付着することになる。また、使用の進行に対しこの現象は繰り返し発生するため、汚れ12の付着力は増大する。
ところで、帯電部材からの被帯電部材への放電はパッシェンの法則に従って発生する。また、放電現象とは、電離した電子が、空気中の分子や電極と衝突して電子と正イオンを生成する過程を繰り返しながら指数関数的に増加する電子雪崩の拡散現象と説明できる。この電子雪崩は電界に従って拡散し、この拡散の度合が最終的な放電電荷量を決定する。
また、異常放電は、パッシェンの法則よりも余剰な電圧が印加され、電子雪崩が大きく拡散して非常に大きい放電電荷量を有する場合に発生する。実際に高速度カメラとイメージインテンシファイアを用いて観察することが可能で、そのサイズは約200μm〜700μmのサイズを有しており、その放電電流量を測定すると、正常放電の放電電流量のおよそ100倍以上となる。したがって、異常放電を抑制するためには、印加電圧が大きい条件下において、電子雪崩の拡散により生成する放電電荷量を正常な範囲に抑制すればよい。
そして、本発明者らは、帯電電圧を増加させた場合にも異常放電を生じ難く、かつ、表面へのトナーの如き汚れの静電的な付着を有効に抑制し得る帯電部材を得るべく検討を重ねた。
その結果、
導電性支持体と、
該導電性支持体の上に形成された表面層と、を有し、
該表面層は3次元的に連続な骨格を有し、かつ、厚み方向に連通してなる細孔を有し、
該表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影し、該領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、該細孔が含まれている正方形の数が100個以下であり、
該骨格は、非導電性であり、かつ、
該骨格が、ネックを介して互いに結合した複数の粒子で構成され、該粒子の円相当径の平均値D1が0.1μm以上20μm以下である、導電性部材が、上記の要求をよく満たすことを見出した。
以下、図面を参照して本発明に係る帯電部材について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明者らは、上記の構成に係る帯電部材によって、異常放電の発生が抑制され、また、トナーの如き汚れの表面への静電的な付着をより一層抑制し得る理由を以下のように推測している。
(異常放電抑制)
異常放電は上記した通り、概略200μm〜700μmのサイズを有する。このサイズは、正常放電が、空間内で電界に従って成長した結果である。つまり、異常放電を抑制するためには、正常放電の成長を抑制すればよい。正常放電は、異常放電と同様に高速度カメラとイメージインテンシファイアで確認でき、そのサイズは30μm以下である。
本発明に係る表面層は、3次元的に連続な骨格を有し、かつ、表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影し、該領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、貫通孔が含まれている正方形の数が100個以下である。このことにより、電子雪崩の拡散が空間的に制限され、正常放電が異常放電のサイズにまで成長することを抑制できているものと考えられる。すなわち、表面層は、厚み方向に連通している細孔を有するものの、電界と同じ方向に貫通する貫通孔の数が少ない。そのため、導電性支持体の表面からの放電が分断され、正常放電のサイズが大きくなることが制限されるものと考えられる。
本発明に係る電子写真用の導電性部材と感光ドラムとの間に生じる放電を、高感度カメラを用いて直接観察した結果、多孔質体である表面層が導電性部材表面に存在した場合、単発の放電が細分化する現象が確認できている。このことからも、上記の推定メカニズムが正しいものと考えられる。
(汚れ抑制)
次に、汚れ付着抑制について述べる。まず、汚れは、物理付着力あるいは静電引力によって導電性部材の表面に付着する。特に、帯電部材に突入してくる汚れは、プラスからマイナスまでの電荷分布を有するので、汚れの静電付着は避けられない。また、上述のように、従来の導電性部材においては、帯電部材の表面及び付着物には、放電により印加電圧とは逆極性のイオンが付着するため、放電を受けるにつれ静電的な付着力が増大するばかりで、一度付着した汚れの剥離は期待されにくい。
本発明では、上記のような汚れの物理付着および静電付着の両方を抑制することができる。まず、物理付着に関して説明する。表面層は、微細な骨格と細孔を有する多孔質体であるために、接触点を非常に小さくでき、汚れの物理付着を抑制できる。
次に静電付着の抑制に関して図3で説明する。
図3はマイナス帯電の場合の帯電部材31、感光ドラム32の模式図である。放電が生じると、マイナスの電荷34は感光ドラムの表面へ電界に従って進捗し、プラス極性の電荷33は表面層30へ進捗する。このとき、表面層30は非導電性であるため、プラス極性の電荷33を捕捉するため、表面層30はプラスにチャージアップする。このとき、電界によって帯電部材の表面に付着しようとするプラスに帯電した汚れと静電的に反発するため、汚れに働く静電引力を低減できる。すなわち、従来全く抑制できなかった静電付着を低減することができる。
さらに、仮に表面層30の表面に汚れが付着したとしても、表面層30が多孔質体であるために、表面層30で多く発生したマイナス放電電荷が汚れに付着し、その結果、汚れが帯びる極性がマイナスになるため、逆転させて、電界によって汚れが剥離する。
すなわち、汚れの物理付着と静電付着とを同時に、非常に効率よく抑制できるため、汚れ付着に由来する画像不良を低減できると予想される。
以上のような理由から、本発明によれば、異常放電の抑制と汚れ付着に起因する画像不良の抑制の両立を達成することができる。さらに、本発明によれば、長期間に亘って白抜け画像を抑制でき、汚れ付着に起因する画像不良を抑制するプロセスカートリッジおよび電子写真装置を提供することができる。以下、本発明を詳細に説明する。
(部材構成一例)
図2(a)および図2(b)に、ローラ形状の導電性部材の一例の断面図を示す。この導電性部材は、導電性支持体と、該導電性支持体の外側に形成された表面層とを備えており、該表面層は多孔質体である。導電性部材の構造としては、図2(a)や図2(b)に示す構成を一例として挙げることができる。
図2(a)の導電性部材は、導電性の軸芯体としての芯金22からなる導電性支持体と、その外周に形成された表面層21とによって構成されている。また、図2(b)の導電性部材は、導電性の軸芯体としての芯金22とその外周に設けられた導電性樹脂層23とを備える導電性支持体と、その外周に形成された表面層21によって構成されている。なお、導電性部材は、必要に応じて本発明の効果を疎外しない範囲で当該導電性樹脂層23を複数配置した多層構成であってもよい。また、導電性部材はローラ形状に限られず、例えばブレード形状であってもよい。
<導電性支持体>
導電性支持体は、例えば、図2(a)に示すように、導電性の軸芯体としての芯金22からなってもよい。また、図2(b)に示すように、導電性の軸芯体としての芯金22とその外周に設けられた導電性樹脂層23とを備える構成でもよい。また、必要に応じて本発明の効果を阻害しない範囲で当該導電性樹脂層23を複数配置した多層構成であってもよい。
これらの中でも、導電性樹脂層の導電剤に起因する抵抗ムラを抑制できる図2(a)の構成が好ましい。
〔導電性の軸芯体〕
導電性の軸芯体を構成する材料としては、電子写真用の導電性部材の分野で公知なものから適宜選択して用いることができる。例えば炭素鋼合金の表面に5μm程度の厚さのニッケルメッキを施した円柱材等が挙げられる。
〔導電性樹脂層〕
導電性樹脂層23を構成する材料としては、ゴム材料、樹脂材料などを用いることが可能である。
ゴム材料としては、特に限定されるものではなく、電子写真用の導電性部材の分野において公知のゴムを用いることができ、具体的には以下のものが挙げられる。エピクロルヒドリンホモポリマー、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイド共重合体、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、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体(NBR)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体の水素添加物、シリコーンゴム、アクリルゴム及びウレタンゴム等。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
樹脂材料としても、電子写真用の導電性部材の分野において公知の樹脂を用いることができ、具体的には以下のものが挙げられる。アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
上記導電性樹脂層23を形成するゴム材料や樹脂材料に対して、電気抵抗値の調整のため、必要に応じて、以下の材料を添加してもよい。電子導電性を示すカーボンブラック;グラファイト;酸化錫などの酸化物;銅、銀などの金属、酸化物や金属を粒子表面に被覆して導電性を付与した導電性粒子;イオン導電性を示す第四級アンモニウム塩、スルホン酸塩などのイオン交換性能を有するイオン導電剤等。
また、本発明の効果を損なわない範囲で、ゴムや樹脂の配合剤として一般的に用いられている充填剤、軟化剤、加工助剤、粘着付与剤、粘着防止剤、分散剤、発泡剤、粗し粒子などを添加することができる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
導電性樹脂層23を構成する材料としては、表面層のチャージアップが導電性支持体へ抜けていく現象を低減できる、カーボンブラックのような導電剤を使用した電子導電性の樹脂を用いることが好ましい。カーボンブラックのような導電剤を使用する際には、体積抵抗値が低すぎると、導電性支持体へチャージアップが抜ける現象が生じ、本発明の効果が低減する。したがって、導電性支支持体に添加する導電剤の部数は本発明の効果を制限しない範囲で少ない方が好ましい。また、イオン導電性の導電性支持体を使用すると、導電性支持体の表面の導電点が全面に均一に存在するため、表面層のチャージアップが抜ける現象が顕著になり、汚れ付着抑制の効果が低減する場合がある。
<表面層>
表面層は、3次元的に連続な骨格を有し、かつ、厚み方向に連通してなる細孔を有する。該表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影し、該領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、貫通孔が含まれている正方形の数は100個以下である。該骨格は非導電性であり、かつ、該骨格は、ネックを介して互いに結合した複数の粒子で構成されている。粒子の円相当径の平均値D1は0.1μm以上20μm以下である。
〔(1)3次元的に連続した骨格および連通した細孔〕
表面層は、3次元的に連続な骨格を有する。ここで、3次元的に連続な骨格とは、複数の分岐を有しており、導電性部材の最表面から導電性支持体の表面につながる箇所を複数個有する骨格のことをいう。
また、表面層は、上記の骨格内で生成した放電をドラムの表面に輸送するために、厚み方向に連通してなる細孔を有する。ここで、厚み方向に連通してなる細孔とは、表面層の表面のある開口から導電性支持体の表面にまで到達していることをいう。
また、当該細孔は、表面層の表面の複数の開口部を繋いでおり、かつ、複数の分岐を有していることが好ましい。このように、複数の開口を繋ぐとともに、複数の分岐を有することによって、表面層内において電子雪崩をより確実に分断させ得る。
さらに、連通してなる細孔が導電性支持体の表面から表面層の表面まで放電の経路を確保するので、非導電性の表面層であっても画像形成に好適な量の放電電荷を、得ることができる。
さらに、汚れの接触面積を低減して汚れの付着を抑制する。さらに、汚れが付着しても、細孔を通ってきた放電電荷が、付着した汚れに付着することで、汚れの電荷を反転させ、静電的に剥離することが可能になる。
表面層の骨格が3次元的に連続であり、細孔が厚み方向に連通してなることは、電子顕微鏡(SEM)で得られるSEM像や、3次元透過型電子顕微鏡やX線CT検査装置等で得られる多孔質体の3次元像において確認できる。すなわち、当該SEM像や当該3次元像において、骨格が複数の分岐を有し、表面層の表面から導電性支持体の表面に繋がる箇所を複数有すればよい。さらに、細孔が表面層の表面の複数の開口部を繋いでおり、かつ、複数の分岐を有し、表面層の表面から導電性支持体の表面に到達していることを確認すればよい。
〔(2)貫通孔の存在の程度〕
表面層は、表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影し、該領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、貫通孔が含まれている正方形の数が100個以下、より好ましくは、25個以下である。ここで、貫通孔とは、表面層の表面に正対したときに、導電性支持体の表面が直接観察できる、細孔をいう。
帯電装置においては、帯電部材の導電性支持体と、被帯電体の導電性支持体との間にバイアスが印加される。そのため、電界の方向に直線的な孔、すなわち、貫通孔が表面層に多く存在すると、導電性支持体の表面からの放電が、異常放電に成長し易くなる。そこで、電界と同じ方向に延びる細孔、すなわち、貫通孔の数を、上記のように制限することで、異常放電の発生を抑制することができる。
なお、該貫通孔を含む正方形群の数の下限は特に限定されないが、値が小さい方が好ましい。具体的には、0個であることが異常放電の発生を抑制する観点からは最も好ましい。
表面層における貫通孔の有無の確認は以下のようにして行うことができる。まず、表面層を当該表面層に正対した方向から観察し、当該表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影する。このとき、レーザー顕微鏡、光学顕微鏡、電子顕微鏡等、150μm四方の領域を観察できる方法を適宜使用すればよい。
次いで、図5にその一部を示すように、該領域を縦に60等分、横に60等分したときに、貫通孔を含む正方形群の数を数えればよい。
〔(3)非導電性〕
表面層の骨格は非導電性である。非導電性とは体積抵抗率が1×1010Ω・cm以上であることをいう。表面層が非導電性であることで、表面層の骨格が、放電により帯電電圧とは逆極性のイオンを捕捉し、チャージアップすることができる。このチャージアップが、汚れの静電的な付着を低減し、さらに、付着した汚れの電荷を反転させて剥離させることができる。
表面層の骨格の体積抵抗率は1×1010Ω・cm以上1×1017Ω・cm以下であることが好ましい。体積抵抗率を1×1010Ω・cm以上とすることで、骨格がチャージアップし始め、汚れの付着を抑制できる。一方で、体積抵抗率を1×1017Ω・cm以下とすることで、表面層の細孔内の放電の生成を促進し、汚れの静電的な剥離が可能となる。さらに、体積抵抗率が1×1015Ω・cm以上1×1017Ω・cm以下であることで、表面層のチャージアップのばらつきの影響が低減でき、汚れの静電的な剥離をより一層促進できるので、より好ましい。
なお、表面層の体積抵抗率の測定方法は次のようにして行う。まず、導電性部材の表面に存在する表面層から、骨格の細孔を含まない状態の試験片をピンセットで取り出す。次いで、走査型プローブ顕微鏡(SPM)のカンチレバーを接触させ、カンチレバーと導電性基板との間に当該試験片を挟むことで体積抵抗率を測定する。導電性部材の長手方向を10等分し、得られた10領域の各領域における任意の1箇所(合計10箇所)において前記体積抵抗率の測定を行い、その平均値を表面層の体積抵抗率とする。
〔(4)ネック〕
表面層の骨格は、ネックを介して互いに結合した複数の粒子からなる。
ここでネックとは、粒子間において、粒子の構成物質の物質移動により形成された、不連続点のないなだらかな曲面で、1葉双曲面状(鼓状)にくびれた部分のことを言う。
図4は表面層の骨格の一例として、球状の粒子を使用して製造した表面層の骨格の一部を2次元的に模式的に示した図である。図4において、粒子41はネック42を介して結合している。ネック42は図4においては、直線として表現されているが、実際は、図4で示した破線によって切断された断面を示す。
図4(a)〜(c)は結合した複数の粒子の切断面を示し、図4(d)はネック部の切断面を示す。
図4(a)および図4(b)は導電性支持体の表面に平行な切断面を示し、図4(c)および図4(d)は導電性支持体の表面に垂直な切断面を示す。
図4(a)および図4(b)は、図4(c)および図4(d)に示す矢印48の向きから見た断面図を示す。図4(c)は、図4(d)に示す矢印401の向きから見た断面図を示す。図4(d)は、図4(c)に示す矢印49の向きから見た断面図を示す。
図4(a)に実線で示す切断面43は、図4(c)に示す面46で切断することによって得られる切断面である。図4(b)に実線で示す切断面44は、図4(c)に示す面47で切断することによって得られる切断面であり、図4(b)に示す二点破線45は、図4(a)に実線で示す切断面43に対応する。図4(a)〜(c)に示すように、表面層の骨格を切断する面の導電性支持体の表面からの高さによって、切断面の面積が変化し、その切断面に現れるネック42の長さも変化する。
複数の粒子を、ネックを介して3次元的に連結させることで、細孔の壁が凹凸を有することとなるため、細孔の形状が、より複雑化するため、電子雪崩の拡散を抑制する効果がより高まる。その結果、異常放電の発生を抑制する効果をより一層高めることができる。
さらに、粒子同士がネックを介して結合することで、粒子間の電気的な界面が無くなる。そのため、表面層を構成する骨格を1個の誘電体として見做すことができるようにあんる。骨格が1個の誘電体として機能することによって、チャージアップのばらつきを抑制し、表面層全体で均一な放電を形成することができる。
また、複数個の粒子がネックを介して結合していることにより、表面層の構造の変化が生じにくくなり、上記の効果を電子写真装置の寿命に亘って維持することができる。
さらに、ネックがあることで、細孔の形状に凹凸が増加し、より複雑な構造になる。細孔の凹凸は電界分布にも凹凸を付与し、このような電界分布の不均一な箇所は放電の契機となりやすい特徴を持つと考えられる。すなわち、ネックが形成する複雑な細孔の形状が、細孔内での放電の発生の確率を増大させ、チャージアップの量を増大させる。その結果、汚れの付着低減、剥離の促進の効果を得ることができる。
なお、粒子同士がネックを介して結合していることの確認は、X線CTによる測定によって得られる3次元像や、レーザー顕微鏡、光学顕微鏡、電子顕微鏡等によって、粒子の結合部を観察すればよい。このとき、骨格及びネックを撮影し、粒子の結合部が不連続点のないなだらかな曲面で、1葉双曲面状(鼓状)にくびれていることを確認すればよい。
また、別のネックの確認の方法として、ピンセットによって表面層をくずすことで、結合していた粒子を分解することができる。分解して別れた粒子をさらに観察すると、図6のように、結合していた痕跡が確認でき、粒子同士がネックを介して結合していたことが確認できる。
〔粒子形状〕
表面層の骨格を形成するための粒子の形状は、3次元的に連続な骨格と厚み方向に連通した細孔を形成できればよく、その形状は、円形、楕円形、四角形などの多角形、半円形、または任意の形状を有することができる。その中でも、球状粒子であれば、膜厚、空孔率などの構造制御が好適に実現でき、良好な画質を得られるので好ましい。
粒子の形状は、X線CTによる測定によって得られる3次元像や、レーザー顕微鏡、光学顕微鏡、電子顕微鏡等によって、粒子の結合部を観察すればよい。このとき、骨格及びネックを撮影し、画像処理において、ネックによって切断される粒子の形状を目視で確認し、粒子形状とすればよい。
また、別の粒子形状の確認の方法として、ピンセットによって表面層をくずすことで、結合していた粒子を分解することができる。分解して別れた粒子をさらに観察することで確認できる。
〔粒子の円相当径の平均値D1〕
表面層の骨格を形成する粒子の円相当径の平均値D1は、0.1μm以上であることが好ましい。0.1μm以上であると細孔が適度に形成され、表面層内の放電を促進できるので、汚れを剥離することができる。また、平均値D1は、20μm以下、特には、3.5μm以下であることが好ましい。平均値D1を、20μm以下とすることで、非導電性の構造に由来する画像不良を抑制することができる。また、平均値D1を、3.5μm以下とすることで、細孔内での放電の拡散抑制効果が大きくなり、異常放電の発生をより一層抑制できる。また、平均値D1を、3.5μm以下にすることで、表面層の表面の細孔にはまる汚れを低減し、汚れ付着に由来する画像不良を抑制することができる。
なお、粒子の円相当径の平均値D1は、X線CTによる測定によって得られる3次元像や、レーザー顕微鏡、光学顕微鏡、電子顕微鏡等によって、粒子の結合部を観察すればよい。特に、X線CTによる測定が、3次元的に表面層の測定ができるので好ましい。例えば、X線CT検査装置(商品名:TOHKEN−SkyScan2011(線源:TX−300)、マース東研X線検査(株)製)を用い、骨格及びネックのスライス像を撮影する。そして得られたスライス像に対し、Image−pro plus(製品名、MediaCybernetics社製)などの画像処理ソフトによって計測すればよい。
具体的には、あるネックを介して結合した2つの粒子に対し、得られたスライス像を利用する。そして、図4のような、ネック断面に垂直な断面であり、導電性支持体の表面に平行な複数の切断面の中で当該切断面に含まれるネックの長さが最も長くなる切断面を探し、大津法によって2値化する。次に、例えばwatershed処理を施し、輪郭線の最も凹んだ部分を結ぶネックを作成する。次いで、このネックによって切断された粒子の重心を計算し、この重心を中心とし、粒子の境界線に接する外接円の半径を、粒子の円相当径として測定すればよい。これを、導電性部材の長手方向を10等分し、得られた10領域の各領域内の任意の画像内の、任意の50個の粒子(合計500個)において粒子の円相当径の測定をし、その算術平均値(以下、「平均値」とも記載する。)を粒子の円相当径の平均値D1とする。
また、別の粒子形状の確認の方法として、ピンセットによって表面層をくずすことで、結合していた粒子を分解することができる。そして導電性支持体の表面上で、分解して別れた粒子の画像をレーザー顕微鏡、光学顕微鏡、電子顕微鏡等によって取得し、上記と同様の方法で円相当径の平均値D1を測定すればよい。
〔ネック断面の円相当径と粒子の円相当径の比〕
表面層の骨格を形成するための、ネックの断面の円相当径の平均値D2は粒子の円相当径の平均値D1の0.1倍以上0.7倍以下であることが好ましい。0.1倍以上であることで放電空間を分断し、異常放電を抑制する効果を生むことができる。0.7倍以下にすることで、細孔内の電界が、入り組んだ複雑な分布になり、細孔内で放電の発生する確率が上昇し、細孔内の放電電荷が増大する結果、汚れ剥離の効果および画質の向上が得られる。
〔ネックの断面の円相当径の平均値D2〕
なお、ネックの断面の円相当径の測定は、X線CTによる測定によって得られる3次元像や、レーザー顕微鏡、光学顕微鏡、電子顕微鏡等によって、粒子の結合部を観察すればよい。特に、X線CTによる測定が、3次元的に表面層の測定ができるので好ましい。
具体的には、あるネックを介して結合した2つの粒子に対し、前記X線CTで得られたスライス像を利用し、図4(d)に示すようなネック42の断面像を作成し、大津法によって2値化する。次に、ネック断面の重心を計算し、この重心を中心とし、ネック断面の境界線に接する外接円の半径を、ネック断面の円相当径として測定すればよい。これを、導電性部材の長手方向を10等分し、得られた10領域の各領域内の任意の画像内の、任意の20個の粒子(合計200個)においてネックの断面の円相当径の測定をし、平均値D2を算出する。
また別のネック断面の円相当径の測定方法としては、ピンセットによって表面層をくずすことで、結合していた粒子を分解することができる。そして導電性支持体の表面上で分解して別れた粒子の画像を取得し、粒子の円相当径および、ネックの断面に当たる結合部だった箇所の円相当径を測定すればよい。
〔厚さ〕
表面層の膜厚は、本発明の効果を損なわない範囲であればよく、具体的には1μm以上50μm以下であることが好ましい。表面層の厚さが1μm以上である場合、骨格がチャージアップし始め、異常放電の抑制効果が発現する。また、表面層の厚さが50μm以下であることで、細孔内の放電が感光ドラムへ到達し、帯電不足が発生しない画像形成を行うことができる。さらに好ましくは、8μm以上20μm以下である。8μm以上であることで放電の拡散が促進され、異常放電をより抑制できる。20μm以下であることで、表面層に付着した汚れの極性を好適に反転し、汚れ付着に由来する画像不良をより抑制することができる。
また、上記の効果は粒子の円相当径の平均と膜厚との比も影響することが分かっている。粒子の層が複数積み重なることで、細孔の形状が複雑になり、本発明の効果をより一層確実に発現できるため、(膜厚)/(粒子の円相当径の平均値D)との比は1.5以上10以下であることが好ましい。
なお、表面層の厚さは次のようにして確認する。導電性部材から、導電性支持体及び当該表面層を含む切片を切り出し、X線CT測定を行うことで表面層の厚さを測定する。具体的には、前記のX線CTの測定で得られた2次元のスライス画像を大津法により2値化し、骨格部と細孔部とを識別した。2値化したスライス画像それぞれにおいて、骨格部の占める割合を数値化し、導電性支持体側から表面層側へ数値の確認を行った。
そして、表面層の導電性基体に最も近い側の最表面とは、X線CTを用いて表面層の下方(導電性基体側)から導電性基体から離れる方向に順次スライスしていったときに、骨格部の占める割合が初めて2%以上となったスライス面を与える面であると定義した。なお、表面層の導電性基体に最も近い側の最表面は、「表面層の最下部」とも表記する。
例えば、
導電性支持体からの高さh1で得られた(n―1)番目のスライス画像における骨格部の占める割合が2%未満、
導電性支持体からの高さh2で得られたn番目のスライス画像における骨格部の占める割合も2%未満、
導電性支持体からの高さh3で得られた(n+1)番目のスライス画像における骨格部の占める割合は2%以上、
(高さh1<高さh2<高さh3であり、かつnは任意の自然数である。)
というように、骨格部の占める割合が2%未満から2%以上に変化した際の(n+1)番目のスライス画像が得られた高さh3が、表面層の最下部の高さとなる。
同様に、表面層の導電性基体から最も離れた側の最表面とは、X線CTを用いて表面層の上方から導電性基体に向けて順次スライスしていったときに、骨格部の占める割合が初めて2%以上となったスライス面を与える面であると定義した。なお、表面層の導電性基体から最も離れた側の最表面は、「表面層の最表面部」とも表記する。
例えば、
導電性支持体からの高さH1で得られた(N−1)番目のスライス画像における骨格部の占める割合が2%以上、
導電性支持体からの高さH2で得られたN番目のスライス画像における骨格部の占める割合も2%以上、
導電性支持体からの高さH3で得られた(N+1)番目のスライス画像における骨格部の占める割合は2%未満、
(高さH1<高さH2<高さH3であり、かつNは任意の自然数である。)
というように、骨格部の占める割合が2%以上から2%未満に変化した際のN番目のスライス画像が得られた高さH2が、表面層の最表面部の高さとなる。
そして、表面層の最下部の高さと、表面層の最表面部の高さとの差を表面層の厚さと定義した。
ここで、「骨格部の占める割合」とは{(骨格部の面積)/(骨格部の面積+細孔部の面積)}を意味する。導電性部材の長手方向を10等分し、得られた10領域の各領域における任意の1箇所(合計10箇所)において前記表面層の厚さの測定を行い、その平均値を表面層の厚さとする。
〔空孔率〕
表面層の空孔率は本発明の効果を損なわない範囲であればよく、具体的には20%以上80%以下であることが好ましい。該空孔率が20%以上であることで画像形成に十分な量の細孔内の放電を発生させることができる。また、該空孔率が80%以下であることで、放電の拡散を低減する効果が発現し異常放電を抑制できる。該空孔率は50%以上75%以下がより好ましい。
表面層の空孔率は次のようにして確認する。導電性部材から、導電性支持体及び当該表面層を含む切片を切り出し、X線CT測定を行うことで空孔率を測定する。具体的には、前記のX線CTによる測定で得られた2次元のスライス画像を大津法により2値化し、骨格部と細孔部とを識別した。2値化したスライス画像それぞれにおいて、骨格部の面積および細孔部の面積を数値化し、導電性支持体側から表面層側へ数値の確認を行い、骨格部の占める割合が2%以上になる領域を表面層とし、最表面部と最下部を前記のように定義した。
次いで、骨格部と細孔部の体積をそれぞれ算出し、細孔部の体積を両者の合計体積で除することで空孔率を得た。これを、導電性部材の長手方向を10等分し、得られた10領域の各領域における任意の1箇所(合計10箇所)において前記表面層の空孔率の測定を行い、その平均値を表面層の空孔率とする。
〔材料〕
表面層を構成する骨格の材料は、当該骨格を形成できる限りにおいて特に制限はなく、樹脂などの高分子材料、シリカ、チタニアなどの無機材料、前記高分子材料と前記無機材料とをハイブリッド化させた材料などを用いることができる。ここで高分子材料とは分子量が大きい材料を示し、半合成高分子や合成高分子などのモノマーを重合させて得られるポリマーや、天然高分子などの分子量の大きい化合物を表す。
前記高分子材料としては例えば以下のものが挙げられる。ポリメタクリル酸メチル(PMMA)などの(メタ)アクリル系ポリマー、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系ポリマー;ポリスチレン;ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド;ポリパラフェニレンオキサイド、ポリパラフェニレンスルフィドなどのポリアリーレン類(芳香族系ポリマー);ポリエーテル;ポリビニルエーテル;ポリビニルアルコール(PVOH);ポリオレフィン系ポリマー、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類(芳香族系ポリマー)に、スルホン酸基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、または、ピリジニウム基を導入したもの;ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素系のポリマー;含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、または、ピリジニウム基を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー;ポリブダジエン系化合物;エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物;エポキシ系化合物;シリコーン系化合物;ポリ塩化ビニル;ポリエチレンテレフタレート;(アセチル)セルロース;ナイロン;ポリアリレート等。なおこれらのポリマーは単独であるいは複数を組み合わせて用いてもよい。また、これらのポリマーはポリマー鎖中に特定の官能基が導入されたものであってもよい。また、これらのポリマーはこれらのポリマーの原料となる単量体の2種以上の組み合わせから製造される共重合体であってもよい。
前記無機材料としては、Si、Mg、Al、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Sn及びZnの酸化物等が挙げられる。より具体的には以下の金属酸化物が挙げられる。シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、アルミナゾル、酸化ジルコニウム、酸化鉄、酸化クロムなどを挙げることができる。これらの無機材料は一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
上記に挙げた材料の中でも、好適なチャージアップが可能である有機材料を使用することが好ましい。その中でも、絶縁性が高いPMMAに代表されるアクリル系ポリマーを使用することがより好ましい。
〔添加剤〕
表面層には、電気抵抗率の調整のため、発明の効果を損なわない範囲で、かつ、表面層を形成できる限りにおいて、骨格の材料に添加剤を加えてもよい。添加剤の例としては、以下のものが挙げられる。電子導電性を示すカーボンブラック、グラファイト、酸化錫などの酸化物、銅、銀などの金属、酸化物や金属を粒子表面に被覆して導電性を付与した導電性粒子、イオン導電性を示す第四級アンモニウム塩、スルホン酸塩などのイオン交換性能を有するイオン導電剤等。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。また、本発明の効果を損なわない範囲で、樹脂の配合剤として一般的に用いられている充填剤、軟化剤、加工助剤、粘着付与剤、粘着防止剤、分散剤などを添加してもよい。
〔表面層の形成方法およびネック径の制御〕
表面層の形成方法は、表面層を形成できる限りにおいて特に制限はなく、粒子を導電性支持体上に堆積させた後に、後工程によってネックを介して粒子同士を結合すればよい。
粒子を導電性支持体上に堆積させる方法としては、以下の方法を用いることができる。微粒子をブラシローラあるいはスポンジローラに含ませロールトゥロールで塗布する方法、静電粉体塗装法、流動浸漬塗装法、静電流動浸漬塗装法、溶射粉体塗装法の如き直接塗装法、エレクトロスプレー法、微粒子分散液のスプレー塗装法。中でも、微粒子のはぎとりと塗布とが同時に起きるため、表面層の膜厚制御が好適に実現でき、さらに、塗布と同時に圧縮も実現できる、微粒子をブラシローラあるいはスポンジローラに含ませロールトゥロールで塗布する方法が好ましい。ロールの回転数、回転時間により、塗布量を好適に制御することが可能である。
ネックを介して粒子同士を結合する方法としては、加熱、加熱圧着、赤外線放射、決着樹脂によって結合させる方法等が挙げられる。その中でも、表面層内部の粒子まで好適に融着することができるため、粒子を堆積させた粒子堆積膜を加熱あるいは加熱圧着する方法が好ましい。
上記ネック比Rの制御に関しては、結合する工程での条件、例えば、加熱温度および加熱時間で制御すればよい。
<表面層を保護する剛体構造体>
表面層に付着しようとする汚れは、物理的にあるいは静電的に付着する。表面層を保護する剛体構造体を導入すると、表面層が感光ドラムに接触しなくなるため、物理的に汚れが付着する現象をほとんど回避することができる。
また、表面層の構造が変化すると、放電特性も変化する可能性がある。したがって、特に長期に亘る使用を目的とした場合、表面層を保護する剛体構造体を導入することで、感光ドラムの表面と表面層との摩擦、摩耗を低減し、表面層の構造の変化を抑制することが好ましい。ここで、剛体構造体とは、感光ドラムとの当接によって生じる当該剛体構造体の変形量が1μm以下である構造体のことを指す。当該剛体構造体を設ける方法は、本発明の効果を妨げない限りにおいて制限はなく、例えば導電性支持体の表面に凸部を形成する方法、導電性部材に離間部材を導入する方法等が挙げられる。
〔導電性支持体の表面の凸部〕
導電性支持体が図2(a)のような構成の場合、芯金22の表面を、凸部を有する形状に加工する方法が挙げられる。例としては、サンドブラスト、レーザー加工、研磨等により、芯金22の表面に凸部を形成する方法が挙げられる。なお、これ以外の方法により凸部を形成してもよい。
導電性支持体が図2(b)のような構成の場合、導電性樹脂層23の表面を、凸部を有する形状に加工する方法が挙げられる。例としては、当該導電性樹脂層23をサンドブラスト、レーザー加工、研磨等により加工する方法、当該導電性樹脂層23に有機粒子、無機粒子などのフィラーを分散させる方法等が挙げられる。
有機粒子の構成材料の例としては、以下のものが挙げられる。ナイロン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、スチレン−アクリル共重合体、ポリメチルメタクリレート樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、セルロース樹脂、ポリオレフィン樹脂、シリコーン樹脂等。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
また無機粒子の構成材料の例としては、以下のものが挙げられる。シリカなどの酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ストロンチウム、ケイ酸バリウム、タングステン酸カルシウム、粘土鉱物、マイカ、タルク、カオリン等。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。また、有機粒子と無機粒子の両方ともを用いてもよい。
上記のような導電性支持体を加工する方法に加え、導電性支持体とは独立した凸部を導入する方法が挙げられる。例えば、ワイヤーの如き糸状の部材を巻きつける方法等が挙げられる。
当該凸部の密度としては、多孔質体を保護する効果を得るために、表面層に正対した方向から観察したときに、該表面層の表面における1辺が1.0mmの正方形の領域内に少なくとも当該剛体構造体の一部が観察される状態が好ましい。当該凸部の大きさ、太さは、本発明の効果を妨げない限りにおいて制限はない。具体的には、凸部が存在することに起因する画像不良が生じない範囲であることが好ましい。当該凸部の高さは、表面層の厚さよりも大きく、かつ、本発明の効果を妨げない限りにおいて制限はない。具体的には、少なくとも表面層の厚さよりも大きい高さを有し、かつ、放電ギャップが大きいことに起因する帯電不良が生じない範囲であることが好ましい。
〔離間部材〕
当該離間部材は、感光ドラムと表面層とを離間でき、かつ、本発明を妨げない限りにおいて制限はなく、例えばリング、スペーサ等が挙げられる。
当該離間部材を導入する方法の一例としては、導電性部材がローラ形状の場合は、導電性部材よりも外径が大きく、かつ、感光ドラムと導電性部材との空隙を保持できる硬度を有するリングを導入する方法が挙げられる。また別の離間部材を導入する方法の一例としては、導電性部材がブレード形状である場合は、多孔質体と感光ドラムとが摩擦、摩耗しないように、両者を離間できるようなスペーサを導入する方法が挙げられる。
当該離間部材を構成する材料は、本発明の効果を妨げない範囲で制限はなく、かつ、当該離間部材を介した通電を防ぐために、非導電性の公知の材料を適宜使用すればよい。例えばポリアセタール樹脂、高分子量ポリエチレン樹脂、ナイロン樹脂のような摺動性に優れた高分子材料、酸化チタン、酸化アルミニウムのような金属酸化物材料が挙げられる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
当該離間部材を導入する位置としては、本発明の効果を妨げない範囲で制限はなく、例えば導電性支持体の長手方向の端部に設置等すればよい。
図7に、当該離間部材を導入した場合の導電性部材の一例(ローラ形状)を示す。図7中、70は導電性部材、71は離間部材、72は導電性の軸芯体を示す。
<プロセスカートリッジ>
図8は導電性部材を帯電ローラとして具備している電子写真用のプロセスカートリッジの概略断面図である。このプロセスカートリッジは、現像装置と帯電装置とを一体化し、電子写真装置の本体に着脱可能に構成されたものである。現像装置は、少なくとも現像ローラ83とトナー容器86とを一体化したものであり、必要に応じてトナー供給ローラ84、トナー89、現像ブレード88、攪拌羽810を備えていても良い。帯電装置は、感光ドラム81、クリーニングブレード85、および帯電ローラ82を少なくとも一体化したものであり、廃トナー容器87を備えていても良い。帯電ローラ82、現像ローラ83、トナー供給ローラ84、および現像ブレード88は、それぞれ電圧が印加されるようになっている。
<電子写真装置>
図9は、導電性部材を帯電ローラとして用いた電子写真装置の概略構成図である。この電子写真装置は、四つの前記プロセスカートリッジが着脱可能に装着されたカラー電子写真装置である。各プロセスカートリッジには、ブラック、マゼンダ、イエロー、シアンの各色のトナーが使用されている。感光ドラム91は矢印方向に回転し、帯電バイアス電源から電圧が印加された帯電ローラ92によって一様に帯電され、露光光911により、その表面に静電潜像が形成される。一方トナー容器96に収納されているトナー99は、攪拌羽910によりトナー供給ローラ94へと供給され、現像ローラ93上に搬送される。そして現像ローラ93と接触配置されている現像ブレード98により、現像ローラ93の表面上にトナー99が均一にコーティングされるとともに、摩擦帯電によりトナー99へと電荷が与えられる。上記静電潜像は、感光ドラム91に対して接触配置される現像ローラ93によって搬送されるトナー99が付与されて現像され、トナー像として可視化される。
可視化された感光ドラム上のトナー像は、一次転写バイアス電源により電圧が印加された一次転写ローラ912によって、テンションローラ913と中間転写ベルト駆動ローラ914に支持、駆動される中間転写ベルト915に転写される。各色のトナー像が順次重畳されて、中間転写ベルト上にカラー像が形成される。
転写材919は、給紙ローラにより装置内に給紙され、中間転写ベルト915と二次転写ローラ916の間に搬送される。二次転写ローラ916は、二次転写バイアス電源から電圧が印加され、中間転写ベルト915上のカラー像を、転写材919に転写する。カラー像が転写された転写材919は、定着器918により定着処理され、装置外に廃紙されプリント動作が終了する。
一方、転写されずに感光ドラム上に残存したトナーは、クリーニングブレード95により掻き取られて廃トナー収容容器97に収納され、クリーニングされた感光ドラム91は、上述の工程を繰り返し行う。また転写されずに一次転写ベルト上に残存したトナーもクリーニング装置917により掻き取られる。
<実施例1>
(1.未加硫ゴム組成物の調製)
下記表1に示す種類と量の各材料を加圧式ニーダーで混合してA練りゴム組成物を得た。さらに、前記A練りゴム組成物166質量部と下記表2に示す種類と量の各材料とをオープンロールにて混合し未加硫ゴム組成物を調製した。
(2.導電性支持体の作製)
[2−1.導電性の軸芯体]
快削鋼の表面に無電解ニッケルメッキ処理を施した全長252mm、外径6mmの丸棒を用意した。次にロールコーターを用いて、前記丸棒の両端部11mmずつを除く230mmの範囲の全周にわたって、接着剤(商品名:メタロックU−20、(株)東洋化学研究所製)を塗布した。本実施例において、前記接着剤を塗布した丸棒を導電性の軸芯体として使用した。
[2−2.導電性樹脂層]
次に、導電性の軸芯体の供給機構、及び未加硫ゴムローラの排出機構を有するクロスヘッド押出機の先端に内径12.5mmのダイスを取付け、押出機とクロスヘッドの温度を80℃に、導電性の軸芯体の搬送速度を60mm/秒に調整した。この条件で、押出機より未加硫ゴム組成物を供給して、クロスヘッド内にて導電性の軸芯体の外周部を未加硫ゴム組成物で被覆し、未加硫ゴムローラを得た。次に、温度170℃の熱風加硫炉中に前記未加硫ゴムローラを投入し、60分間加熱することで未加硫ゴム組成物を加硫し、導電性の軸芯体の外周部に導電性樹脂層が形成されたローラを得た。その後、導電性樹脂層の両端部を各10mm切除して、導電性樹脂層部の長手方向の長さを231mmとした。最後に、導電性樹脂層の表面を回転砥石で研磨した。これによって、中央部から両端部側へ各90mmの位置における各直径が8.4mm、中央部直径が8.5mmである導電性支持体A1を得た。
(3.表面層の形成)
粒子を塗布して表面層を形成する塗布装置の概略を図10に示す。当該粉塗布装置は粒子100、粒子貯蓄部101、粒子塗布ローラ102、粒子被塗布部材103からなり、粒子被塗布部材103として導電性支持体A1を設置することで、表面層を形成できる。
粒子塗布ローラ102は、導電性芯金の外周に発泡層が形成された弾性スポンジローラであり、粒子被塗布部材103との対向部において所定の接触領域(ニップ部)を形成して配設され、図示矢印方向(時計まわり)に回転する。このとき、粒子塗布ローラ102は粒子被塗布部材に対し、所定の侵入量、すなわち、粒子塗布ローラ102が粒子被塗布部材103により凹状とされる、凹みを持って接触している。粒子を塗布する際には、接触領域において互いに逆方向に移動するよう回転しており、この動作により、粒子塗布ローラ72による粒子被塗布部材103への粒子塗布、及び粒子被塗布部材103上の粒子の剥ぎ取りを行っている。
表面層を形成する粒子100として非架橋アクリル粒子(型式:MX−300 総研化学(株)製)、粒子塗布ローラ102を90rpm、導電性支持体A1を100rpmで10秒間駆動回転し、導電性支持体A1に塗布し、未加熱導電性部材a1を得た。
次いで、オーブンに搬入し、温度140℃で3時間の加熱を行って導電性部材A1を得た。
(4.特性評価)
本実施例の導電性部材A1を以下の評価試験に供した。評価結果を表7に示す。なお、導電性部材がローラ形状の導電性部材である場合、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向は、それぞれ以下の方向を意味する。
x軸方向は、ローラ(導電性部材)の長手方向である。
y軸方向は、x軸に直交するローラ(導電性部材)の横断面(すなわち、円形断面)における接線方向である。
z軸方向は、x軸に直交するローラ(導電性部材)の横断面における直径方向である。また「xy平面」とはz軸に直交する平面を意味し、「yz断面」とはx軸に直交する断面を意味する。
[4−1.3次元的に連続な骨格と厚み方向に連通した細孔の確認]
多孔質体が共連続構造を有するか否かは以下の方法により確認した。導電性部材A1の表面層に対して剃刀を当てて、x軸方向及びy軸方向に各250μmの長さ、z軸方向には導電性支持体A1を含む700μmの深さで切片を切り出した。次に、X線CT検査装置(商品名:TOHKEN−SkyScan2011(線源:TX−300)、マース東研X線検査(株)製)を用い、この切片に対して3次元再構築を行った。得られた3次元像から、z軸に対して間隔1μmで2次元のスライス画像(xy平面と平行)を切り出した。次に、これらのスライス画像を2値化し、骨格部と細孔部とを識別した。当該スライス画像をz軸に対して順に確認していき、骨格部が3次元的に連続で細孔部が厚み方向に連通していることを確認した。
[4−2.貫通孔の評価]
表面層の表面の任意の150μm四方の領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、3600個の当該正方形の群の中で、貫通孔が存在している正方形の数は次のようにして評価した。
すなわち、前記切片の表面に白金を蒸着させて蒸着切片を得た。次いで当該切片の表面をz軸方向から、走査型電子顕微鏡(SEM)(商品名:S−4800、(株)日立ハイテクノロジーズ製)を用いて1000倍で撮影し、表面画像を得た。
次に当該表面画像を画像処理ソフト(商品名:Image−pro plus、MediaCybernetics社製)を用いて、150μm四方の領域に2.5μm間隔で分割線を縦に59本、横に59本作製し、合計3600個の正方形群を形成し、評価用の画像を得た。次いで、当該評価用の画像において、3600個の正方形の中で、導電性支持体の表面が確認できる孔、すなわち、貫通孔が存在する正方形の数を数えた。
[4−3.表面層の非導電性の評価]
表面層(多孔質体)の非導電性の評価は以下の方法により行った。表面層の体積抵抗率は、走査型プローブ顕微鏡(SPM)(商品名:Q−Scope250、QuesantInstrument Corporation社製)を用い、コンタクトモードで測定した。
まず、導電性部材A1から当該表面層の多孔質体を形成する骨格をピンセットで回収し、ステンレス鋼製の金属プレート上に回収した骨格の一部を設置して測定切片を得た。次に、金属プレートに直接接触している箇所を選び、SPMのカンチレバーを接触させ、カンチレバーに50Vの電圧を印加し、電流値を測定した。次に、当該SPMで当該測定切片の表面形状を観察して、得られる高さプロファイルから測定箇所の厚さを算出した。さらに、表面形状観察結果から、カンチレバーの接触部の凹部面積を算出した。当該厚さと当該凹部面積とから体積抵抗率を算出し、表面層の体積抵抗率とした。
導電性部材A1を長手方向に10個の領域に10等分し、それぞれの領域内から任意に1点ずつ、合計10点から当該表面層の多孔質体を形成する骨格をピンセットで回収して上記測定を行った。その平均値を、表面層の体積抵抗率とした。評価結果を表8に示す。
[4−4.表面層のチャージアップ量の評価]
コロナ放電による導電性部材(帯電部材)の表面電位の測定は、帯電量測定装置(商品名:DRA−2000L、(株)QEA社製)を用いて測定した。具体的には、当該帯電量測定装置のコロナ放電器を、そのグリッド部と、導電性部材A1の表面との間隙が1mmとなるように配置する。次いで、該コロナ放電器に8kVの電圧を印加して放電を発生させて、導電性部材の表面を帯電させ、放電終了後、10秒経過後の導電性部材の表面電位を測定する。
[4−5.粒子径の評価]
粒子の円相当径の平均値D1の評価は次のようにして行った。1000倍の実体顕微鏡で観察しながら、前記切片の表面にある表面層をピンセットによって崩し、導電性支持体の表面上で、粒子が変形しないように留意し、1つ1つにまで分解した。次に白金を蒸着させて蒸着切片を得た。次いで当該蒸着切片の表面をz軸方向から、走査型電子顕微鏡(SEM)(商品名:S−4800、(株)日立ハイテクノロジーズ製)を用いて1000倍で撮影し、表面画像を得た。
次いで、当該表面画像を画像処理ソフト(商品名:イメージプロ プラス(Image−pro plus)、メディア サイバネティックス(Media Cybernetics)社製)を使用して、粒子が白、導電性支持体の表面、が黒くなるように処理し、カウント機能で任意の50個の粒子の円相当径を測定した。これを、導電性部材A1の長手方向を10等分し、得られた10領域に対して上記の測定を行い、任意の合計500個の粒子の円相当径の測定をし、この500個の円相当径の算術平均を粒子の円相当径Dとした。評価結果を表8A及び8Bに示す。
[4−6.ネック径の評価]
ネック断面の円相当径の平均値D2の評価は次のようにして行った。上記[4−1.3次元的に連続な骨格と厚み方向に連通した細孔の確認]と同様にして3次元像を構築し、当該3次元像中の、20箇所のネックの円相当径を測定した。
上記作業を、導電性部材A1を長手方向に10等分して得られる10個の領域の各領域内の任意の1点(合計200点)で行い、この200個のネックの円相当径の算術平均をネックの円相当径の平均値D2とした。
次いで、円相当径の平均値D1と、ネックの円相当径の平均値D2の比D2/D1をネック比Rとして算出した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
[4−7.表面層の厚さの評価]
表面層の厚さは次のようにして評価した。
まず、[4−1.3次元的に連続な骨格と厚み方向に連通した細孔の確認]に記載したように、導電性部材A1の表面層に対して剃刀を当てて、x軸方向およびy軸方向に各250μm、z軸方向には導電性支持体を含む700μmの深さで切片を切り出した。
この切片について、表面層の上方(z軸上方)からz軸に沿って導電性基体に向かって間隔1μmで下記のX線CT検査装置を用いて、導電性支持体の表面に平行なスライス面の画像(スライス画像)を順次取得する。
X線CT検査装置(商品名:TOHKEN−kyScan2011(線源:TX−300)、マース東研X線検査(株)製)
なお、表面層の導電性基体から離れた側の最表面を特定するため、スライス画像を、表面層が明らかに存在しない表面層上方から導電性基体の方向に向かってスライス画像を順次取得していく。これによって、後述する手法により算出される、スライス画像に占める骨格部の割合が初めて2%以上となるスライス面が特定できるようにする。
また、表面層の導電性基体に近い側の最表面を特定するため、導電性基体の部分から表面層の上方(z軸上方)に向かってスライス画像を順次取得する。これによって、表面層の導電性基体に近い側における、スライス画像に占める骨格の割合が初めて2%以上となるスライス面を特定できるようにする。
X線CTの測定で得られる2次元のスライス画像は、大津法(判別分析法)を用いて2値化し、骨格部と細孔部とを識別する。2値化したスライス画像それぞれにおいて、骨格部の占める割合を数値化し、導電性支持体側から表面層側へ数値の確認を行い、骨格部の占める割合を算出する。そして、上記したように、表面層の上方から測定を開始したときに、導電性基体から最も離れた側において、骨格の占める割合が2%以上となるスライス画像が得られたスライス面を、表面層の導電性基体から離れた側の最表面とみなす。
また、導電性基体から測定を開始したときに、導電性基体に近い側において、骨格の占める割合が初めて2%以上となるスライス画像が得られたスライス面を、表面層の導電性基体に近い側の最表面とみなす。
なお、上記の作業は、導電性部材A1を長手方向に10等分して得られる10個の領域の各領域内の任意の1点(合計10点)で行い、その算術平均値を、表面層の厚さとした。評価結果を表8A及び8Bに示す。
[4−8.表面層の空孔率の評価]
表面層の空孔率は以下の方法により測定した。前記のX線CTの評価で得られる3次元像において、細孔部の占める割合を数値化し、表面層の空孔率を求めた。上記作業を、導電性部材A1を長手方向に10等分して得られる10個の領域の各領域内の任意の1点(合計10点)で行い、その平均値を表面層の空孔率とした。評価結果を表8A及び8Bに示す。
(5.画像評価)
導電性部材A1を以下の評価試験に供した。
[5−1.画質の評価]
導電性部材A1の初期(耐久試験(繰り返し使用試験)前)の非導電性の骨格に由来する画像不良(黒ポチ)を抑制する効果を以下の方法により確認した。電子写真装置として、電子写真方式のレーザープリンタ(商品名:Laserjet CP4525dn、HP社製)を用意した。ただし、導電性部材を、より過酷な評価環境に置くために、当該レーザープリンタを、単位時間当たりの出力枚数が、A4サイズの用紙で、50枚/分となるように改造した。その際、記録メディアの出力スピードは300mm/秒、画像解像度は1200dpiとした。
次に、当該レーザープリンタ専用のトナーカートリッジに、帯電ローラとして導電性部材A1を装着した。このトナーカートリッジを上記のレーザープリンタに装填し、L/L環境(温度15℃、相対湿度10%の環境)下で、ハーフトーン画像(感光ドラム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。
このときの帯電ローラと電子写真感光体との間の印加電圧を−1000Vとした。評価結果を表8A及び8Bに示す。
[非導電性の骨格に由来する画像不良の評価]
A:黒点画像が無い。
B:一部に軽微な黒点状の白い線が見られる。
C:全面に軽微な黒点状の白い線が見られる。
D:スジ状の黒い線が見られ、目立つ。
[5−2−1.白抜け画像の評価]
[5−1.画質の評価]において得られた画像を目視で観察し、帯電部材からの局所的な強い放電に起因する画像ムラ(白抜け画像)の有無を観察した。
次いで、印加電圧を−1010V、−1020V、−1030V・・・と10V毎に変えた以外は、上記と同様にして電子写真画像の出力、目視での評価を繰り返した。そして、帯電部材からの局所的な強い放電に起因する画像ムラ(白抜け画像)が目視にて確認できる電子写真画像が形成されたときの印加電圧を測定した。このときの印加電圧を耐久試験前の白抜け画像発生電圧として、表8A及び8Bに記載した。
[5−2.耐久試験後の汚れ付着に由来する画像不良の評価]
導電性部材A1が耐久試験後の汚れ付着に由来する画像不良(白ポチ・白帯)を抑制する効果を以下の方法により確認した。上記横スジの評価で得られた画像について、画像欠陥を確認し、以下の基準で評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
[汚れ付着に由来する画像不良の評価]
A:汚れ付着に由来する画像欠陥が無い。
B:一部に軽微な汚れ付着に由来する画像欠陥(白ポチ)が見られる。
C:全面に軽微な汚れ付着に由来する画像欠陥(白ポチ)が見られる。
D:全面に汚れ付着に由来する画像欠陥(白ポチ)が見られ、かつ、縦スジとして観察される。
<実施例2〜実施例10>
粒子材料、粒子の塗布条件および加熱条件を表3に示すように変更して、表面層の構造が変化するようにした以外は、実施例1と同様にして、導電性部材A2〜導電性部材A10を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例11>
粒子としてPAN粒子(タフチックA20 東洋紡(株)製)を使用し、加熱温度を250℃、加熱時間を12時間にして、粒子形状を異形とした以外は実施例1と同様に導電性部材A11を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例12〜実施例14>
表面層の加熱の条件を表4に示すように変更して、ネックの径を変化させた以外は、実施例1と同様にして、導電性部材A12〜導電性部材A14を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例15>
未加硫ゴム組成物に分散する導電剤としてのカーボンブラックの添加量を80phrに変更した以外は、実施例1と同様にして、導電性部材A15を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。なお、「phr」は、未加硫ゴム組成物100質量部に対する添加量(質量部)を意味する。
<実施例16>
表5−1に示す材料(エピクロルヒドリンを含む材料)を使用してA練りゴム組成物を調整した。未加硫ゴムの材料として、当該A練りゴム組成物166質量部と下記表5−2に示す種類と量の各材料とをオープンロールにて混合し未加硫ゴム組成物を調製したこと以外は実施例1と同様にして導電性部材A16を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例17>
導電性支持体A1の外周面上に、以下の方法に従って、さらに導電性樹脂層を設けたこと以外は実施例1と同様にして導電性部材A17を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
先ず、カプロラクトン変性アクリルポリオール溶液にメチルイソブチルケトンを加え、固形分が10質量%となるように調整した。このアクリルポリオール溶液1000質量部(固形分100質量部)に対して、下記の表6に示す材料を用いて混合溶液を調製した。このとき、ブロックHDIとブロックIPDIとの混合物は、「NCO/OH=1.0」であった。
次いで、450mLのガラス瓶に上記混合溶液210gと、メディアとして平均粒径0.8mmのガラスビーズ200gとを混合し、ペイントシェーカー分散機を用いて24時間前分散を行い、導電性樹脂層形成用の塗料を得た。
前記導電性支持体A1を、その長手方向を鉛直方向にして、前記導電性樹脂層形成用の塗料中に浸漬してディッピング法で塗工した。ディッピング塗布の浸漬時間は9秒間、引き上げ速度は、初期速度が20mm/秒、最終速度が2mm/秒、その間は時間に対して直線的に速度を変化させた。得られた塗工物を常温で30分間風乾し、次いで温度90℃に設定した熱風循環乾燥機中において1時間乾燥し、さらに温度160℃に設定した熱風循環乾燥機中において1時間乾燥した。
<実施例18>
導電性支持体として、前記丸棒のみを使用したこと以外は、実施例1と同様にして導電性部材A18を製造し、評価した。なお、評価に当たり、導電性部材A18が感光ドラムに接触するようにカートリッジを変更した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例19>
厚さ200μmのアルミニウム製のシート上に、実施例16の導電性樹脂層形成用の塗料を実施例18と同条件でディッピング塗布し、アルミニウム製シート上に導電性樹脂層を設け、ブレード状の導電性支持体を作製した。次に、実施例1と同様にして、ブレード状の導電性支持体の外周面上に表面層を設け、導電性部材A19を製造した。
この導電性部材A19を帯電ブレードとして実施例1の画像評価で使用したものと同様の電子写真方式のレーザープリンタに取り付け、感光ドラムの回転方向に対して、順方向になるよう当接配置させた。なお、導電性部材A19の感光ドラムに対する当接点における接点と帯電ブレードとのなす角θは帯電性の点から20°に設定した。また導電性部材A20の感光ドラムに対する当接圧は20g/cm(線圧)に初期設定した。実施例1と同様の条件で画像評価を行った。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例20>
導電性樹脂層を形成しなかったこと以外は、実施例19と同様にして導電性部材A20を製造し、評価した。なお、評価に当たり、実施例19と同様に、導電性部材A20が感光ドラムに接触するようにカートリッジを変更した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例21〜実施例24>
粒子材料、粒子の塗布条件を表7に示すように変更して、抵抗を変化させた以外は、実施例1と同様にして、導電性部材A21〜導電性部材A24を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例25>
粒子材料としてポリアクリル酸エステル粒子(テクポリマーABX−5 積水化成品(株)製)を使用し、加熱温度を200℃に変更し、抵抗を変化させた以外は、実施例1と同様にして、導電性部材A25を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例26>
粒子材料としてシリカ粒子(商品名:sicastar 43−00−303、Micromod社製)に変更し、加熱温度を1000℃、加熱時間を2時間とした以外は、実施例19と同様にして、導電性部材A26を製造し、評価した。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例27>
前記未加熱導電性部材a1に対し、固形分を1%、カーボンブラックを0phrにした以外は実施例17と同様の方法で、前記未加熱導電性部材a1に導電性樹脂層を塗工して、導電性部材A27を製造し、評価した。このとき、導電性樹脂層は結着樹脂として機能し、粒子間にネックを形成する。評価結果を表8A及び8Bに示す。
<実施例28>
導電性部材A1に対し、離間部材(導電性樹脂層端部に、外径8.6mm、内径6mm、幅2mmのリング)を取り付け、導電性部材AA1を得た。次いで、導電性部材AA1を帯電ローラとして搭載した上記レーザープリンタを用いて、L/L環境下で耐久試験を行った。耐久試験は、2枚の画像を出力した後、感光ドラムの回転を完全に約3秒間停止させ、画像出力を再開する間欠的な画像形成動作を繰り返して、40000枚の電子写真画像を出力して行った。この際の出力画像は、サイズが4ポイントのアルファベットの「E」の文字が、A4サイズの紙の面積に対し被覆率が4%となるように印字されるような画像とした。 このときの帯電ローラと電子写真感光体との間の印加電圧を−1200Vとした。
この耐久試験後、印加電圧を−1210V、−1220V、−1230V・・・と10Vずつ変化させ、白抜け画像が確認できる電子写真画像が形成されたときの印加電圧を測定した。このときの印加電圧を耐久試験後の白抜け画像発生電圧として、表8A及び8Bに記載した。
<比較例1>
実施例18の導電性樹脂層形成用の塗料に、非架橋アクリル粒子(型式:MX−500総研化学(株)製)を10phr添加し、分散させて導電性樹脂を形成した。ついで、表面層を形成せずに、実施例1と同様にして、導電性部材B1を評価した。評価結果を表9A及び表9Bに示す。
本比較例においては、表面層を形成していないため、白抜け画像が抑制されない。
<比較例2>
表面層を加熱しなかったこと以外は実施例1と同様にして、導電性部材B2を製造し、評価した。評価結果を表9A及び表9Bに示す。
本比較例においては、ネックが形成されていないため、チャージアップ量にばらつきが生じ、ばらつきに由来する画像不良が生じる。また、付着した汚れや、チャージアップした粒子が静電気的にドラムに飛翔し、表面層が破壊されるため、白抜け画像を抑制することができない。
<比較例3>
粒子として非架橋アクリル粒子(型式:MX−3000 総研化学(株)製)を使用して、粒子の円相当径の平均値D1を大きくした以外は実施例1と同様にして、導電性部材A12を製造し、評価した。評価結果を表9A及び9Bに示す。
本比較例においては、粒子の円相当径の平均が32μmと大きいため、細孔の微細さが低下し、画像不良として現れる。また、表面積も低下するため、チャージアップ量が低く、汚れを抑制することができない。
<比較例4>
粒子塗布条件として、導電性支持体A1の回転数を150rpmに上げ、塗布時間を3秒と短くした以外は実施例1と同様にして、導電性部材B4を製造し、評価した。評価結果を表9A及び表9Bに示す。
本比較例においては、貫通孔が含まれる正方形群の数が200個存在するため、貫通孔が表面層の結果として画像不良に現れる。
<比較例5>
表面層の加熱を200℃で3時間行ったこと以外は実施例1と同様にして、導電性部材B5を製造し、評価した。評価結果を表9A及び表9Bに示す。
本比較例においては、粒子が溶融し、絶縁の表層膜が形成されるため、帯電不良により、画像評価は不可能であった。
<比較例6>
粒子として炭素粒子(PC1020 日本カーボン(株)製)を使用し、加熱温度を800℃、加熱時間を12時間に変更した以外は実施例19と同様にして、導電性部材B6を製造し、評価した。評価結果を表9A及び表9Bに示す。
本比較例においては、表面層の電気抵抗率が低く、チャージアップが不可能であるため、白抜け画像を抑制できない。
10 帯電部材
11 感光ドラム
12 汚れ
13 電源
14 アース
21 表面層
22 芯金
23 導電性樹脂層
30 表面層
31 導電性支持体
32 感光ドラム
33 プラス極性のイオン
34 マイナスの電荷
41 粒子
42 ネック
70 導電性部材
71 離間部材
72 導電性の軸芯体
81 感光ドラム
82 帯電ローラ
83 現像ローラ
84 トナー供給ローラ
85 クリーニングブレード
86 トナー容器
87 廃トナー容器
88 現像ブレード
89 トナー
810 攪拌羽
91 感光ドラム
92 帯電ローラ
93 現像ローラ
94 トナー供給ローラ
95 クリーニングブレード
96 トナー容器
97 廃トナー収容容器
98 現像ブレード
99 トナー
910 攪拌羽
911 露光光
912 一次転写ローラ
913 テンションローラ
914 中間転写ベルト駆動ローラ
915 中間転写ベルト
916 二次転写ローラ
917 クリーニング装置
918 定着器
919 転写材
100 粒子
101 粒子貯蓄部
102 粒子塗布ローラ
103 粒子被塗布部材

Claims (9)

  1. 導電性支持体と、
    該導電性支持体の上に形成された表面層と、を有する電子写真用の導電性部材であって、
    該表面層は3次元的に連続な骨格を有し、かつ、厚み方向に連通してなる細孔を有し、
    該表面層の表面の、任意の150μm四方の領域を撮影し、該領域を縦に60等分、横に60等分して3600個の正方形に等分割したときに、貫通孔が含まれている正方形の数が100個以下であり、
    該骨格は、非導電性であり、かつ、
    該骨格が、ネックを介して互いに結合した複数の粒子で構成され、該粒子の円相当径の平均値D1が0.1μm以上20μm以下である、
    ことを特徴とする電子写真用の導電性部材。
  2. 前記ネックの断面の円相当径の平均値D2が前記平均値D1の0.1倍以上0.7倍以下である請求項1に記載の電子写真用の導電性部材。
  3. 前記表面層の厚さが1μm以上50μm以下である請求項1または2に記載の電子写真用の導電性部材。
  4. 前記表面層の体積抵抗率が1×1010Ω・cm以上1×1017Ω・cm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の電子写真用の導電性部材。
  5. 前記表面層の空孔率が20%以上80%以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子写真用の導電性部材。
  6. 前記表面層が粒子堆積膜の加熱により粒子同士を融着させることにより形成される多孔質体である請求項1〜5のいずれか一項に記載の電子写真用の導電性部材。
  7. 前記導電性部材が前記表面層を保護する剛体構造体を備える請求項1〜6のいずれか一項に記載の電子写真用の導電性部材。
  8. 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、請求項1〜7のいずれか一項に記載の導電性部材を具備していることを特徴とするプロセスカートリッジ。
  9. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の導電性部材を具備していることを特徴とする電子写真装置。


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