JP6776860B2 - サイジングダイと押出成形装置、およびそれらを用いた管状部材の製造方法 - Google Patents

サイジングダイと押出成形装置、およびそれらを用いた管状部材の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は押出成形技術に関し、特にサイジングダイの表面加工に関する。
レーザープリンター、コピー機、ファクシミリ機等、電子写真式の画像形成装置には、無端ベルトをトナー像の転写、定着に利用する機種がある。たとえば、中間体転写方式の作像部では、感光体からシートへトナー像を中継する像担持体に無端ベルトが利用され、ベルト式の定着部では、シートに接触して熱もしくは圧力を加える回転体、またはその回転体に接触して熱を伝える別の回転体に無端ベルトが利用される。転写、定着のいずれにおいてもトナー像に余分な振動、衝撃が加わることは高画質化の妨げになるので、転写、定着に利用される無端ベルトには滑らかな回転が求められる。すなわち、継ぎ目の無いことはもちろん、幅方向において周長と厚さとが特に均一なベルトが望ましい。
継ぎ目の無い無端ベルトの製造では、基層の成形に遠心成形法または押出成形法が用いられる。周長、厚さの均一性については、遠心成形法が有利であるとはされている。しかし、環境汚染防止の観点からは、多量の有機溶媒の廃棄処理が必要である遠心成形法よりも押出成形法の利用が望ましい。
押出成形法では、熱可塑性樹脂から成形品が次の手順で製造される(たとえば特許文献1、2、3参照)。まず、樹脂ペレットがシリンダー内で加熱されて溶かされる。得られた溶融樹脂はスクリュー等によりそのシリンダーから型へと押し出される。成形品が無端ベルト等の管状部材である場合、型として環状ダイが利用される。環状ダイは、横断面が環状である流路を含む。この流路に押し流されることにより、溶融樹脂はこの流路から管状となって流れ出る。その後、管状の溶融樹脂はサイジングダイの側面に接触し、その側面に沿って流動する。サイジングダイは柱状部材であり、側面の形状とサイズとがそれぞれ成形品の所望の形状とサイズとに設計されている。サイジングダイの側面を流動する間に溶融樹脂は冷却されて固化するので、その側面の形状に成形品の形状は整合する。この成形品をサイジングダイから引き取って所望の長さずつ分割することにより、継ぎ目の無い管状部材、たとえば無端ベルトが均質に量産される。
特開平04−255332号公報 特開2003−033963号公報 特開2012−045804号公報
サイジングダイの側面にはサンドブラスト等の梨地加工が施されている。その目的は、その側面上を流動する溶融樹脂にスティックスリップが生じるのを防ぐことにある。「スティックスリップ」とは、ある物体が別の物体の上を摺動する際、両物体の摩擦面間に微視的な固着と剥離とが繰り返されることにより少なくとも一方の摩擦面に生じる自励振動をいう。このような振動が溶融樹脂に生じれば、その滑らかな流動が阻害されるので成形誤差が過大になる危険性がある。特に成形品が画像形成装置用の無端ベルトである場合、幅方向における周長、厚さのばらつきが過大になりかねず、これらの不均一性は特にトナー像の転写、定着の用途には好ましくない。一般に、摩擦面間の真実接触面積が小さいほど両面間の固着力は弱いので、いずれかの摩擦面にある程度以上の表面粗さがあればスティックスリップは回避可能である。押出成形では、梨地加工によってサイジングダイの側面に所望の表面粗さを持たせることで、その側面を流動する溶融樹脂にスティックスリップが生じることを防いでいる。
近年、SOHO等の小規模オフィスだけでなく一般家庭にも、プリンター、複合機(MFP)の普及が進んでいる。これに伴い、電子写真式の機種に対しても更なる小型化、静音化、および省電力化が求められている。これらの要求に応えるには、画像形成装置用の無端ベルトも更に薄く、軽く、かつ均質に製造されることが望ましい。それを目的とする押出成形に対する工夫としては、たとえば、サイジングダイの側面における溶融樹脂の流動を更に安定化する技術(たとえば特許文献1、3参照。)と、サイジングダイの表面を更に平滑化する技術(たとえば特許文献2参照。)とが知られている。しかし、前者の工夫では、サイジングダイの表面粗さに起因する成形品の表面粗さを研磨等で除去する後処理が不可欠であり、後者の工夫では、溶融樹脂によるスティックスリップを防ぐための別の工夫が更に必要である。このように従来の押出成形では、成形品の表面の平滑性とその形状の均質性との両方を更に向上させることが困難である。
本発明の目的は上記の課題を解決することであり、特に、サイジングダイの表面粗さに起因する成形品の表面粗さを低減することと、スティックスリップに起因する成形品の不均質な形状を抑制することとを両立可能な押出成形装置を提供することにある。
本発明の1つの観点におけるサイジングダイは、押出機と引取機との間に設置可能な部材であって、押出機が環状ダイを通して引取機に向かって押し出した管状の溶融樹脂の外側または内側の表面に接触する側面を含み、その溶融樹脂を側面に沿って流動させることにより、その溶融樹脂の形状をこの側面の形状に整合させる。この側面は、溶融樹脂の流動方向において環状ダイに近い順に第1領域と第2領域とを含み、第1領域は第2領域よりも表面粗さが小さい。
第1領域の表面粗さは、成形品に対する目標値以下であってもよい。第2領域の表面粗さは、第2領域を流動する溶融樹脂にスティックスリップが生じるのを防ぎ得る値以上であってもよい。第1領域は、側面のうち鏡面加工がされた部分であってもよい。第1領域に対する鏡面加工は、めっきであってもよい。第1領域は表層に離型層を含んでいてもよい。
側面の上を流動する溶融樹脂が示す流動方向における粘度分布は変曲点を含み、その変曲点の位置に対して環状ダイの側に第1領域は位置し、引取機の側に第2領域は位置してもよい。溶融樹脂の流動方向において第1領域と第2領域とが連続していてもよい。側面は第1領域と第2領域との間に、溶融樹脂の流動方向において表面粗さが徐々変化する領域を更に含んでいてもよい。
サイジングダイは、冷媒を循環させることにより、側面の上を流動する溶融樹脂を冷却する構造を更に備えていてもよい。サイジングダイは柱状であり、その側面は、管状の溶融樹脂の内側の表面に接触してもよい。その他に、サイジングダイは筒状であり、その側面は、管状の溶融樹脂の外側の表面に接触してもよい。
本発明の1つの観点における押出成形装置は、樹脂を溶融させて押し出す押出機と、横断面が環状である流路を含み、押出機から押し出された溶融樹脂をその流路で流動させる環状ダイと、この環状ダイの流路から流れ出た管状の溶融樹脂を側面に沿って流動させることによりその溶融樹脂の形状をこの側面の形状に整合させる上記のサイジングダイと、このサイジングダイを通過した管状の成形品を引き取る引取機とを備えている。
本発明の1つの観点における管状部材の製造方法は、押出機が樹脂を溶融させて押し出すステップと、押出機から押し出された溶融樹脂を、環状ダイが含む横断面が環状である流路に流すステップと、環状ダイの流路から流れ出た管状の溶融樹脂を上記のサイジングダイの側面に沿って流動させ、その流動の間にその溶融樹脂を冷却して固化させることにより、その溶融樹脂の形状をサイジングダイの側面の形状に整合させるステップと、サイジングダイを通過した管状の成形品を引取機が引き取るステップとを有する。管状部材は、電子写真式の画像形成装置においてトナー像の転写または定着に利用される無端ベルトであってもよい。
本発明による押出成形装置は上記のサイジングダイを利用する。このサイジングダイは側面に、環状ダイに近い順に第1領域と第2領域とを含み、第1領域は第2領域よりも表面粗さが小さい値に加工されている。これらの領域を順番に流動することにより管状の溶融樹脂は冷却されて固化し、その形状がサイジングダイの側面の形状に整合する。こうして、この押出成形装置は、サイジングダイの表面粗さに起因する成形品の表面粗さを低減することと、スティックスリップに起因する成形品の不均質な形状を抑制することとを両立させることができる。
(a)は、本発明の実施形態による画像形成装置の外観を示す斜視図であり、(b)は、(a)の示す直線b−bに沿った模式的な断面図である。 (a)は、図1の(b)が示す中間転写ベルトの模式的な斜視図である。(b)は、図1の(b)が示す定着ベルトの模式的な斜視図である。 (a)は、本発明の実施形態による押出成形装置の外観を模式的に示す斜視図であり、(b)は、(a)の示す直線b−bに沿った模式的な断面図である。 (a)は、溶融樹脂の流動方向におけるサイジングダイの表面粗さ分布を示すグラフである。(b)、(c)は、このサイジングダイの第1領域の表面とそれに接触する溶融樹脂の表面とを模式的に示す拡大断面図である。(d)、(e)は、このサイジングダイの第2領域の表面とそれに接触する溶融樹脂の表面とを模式的に示す拡大断面図である。 (a)は、溶融樹脂の粘度−温度特性曲線を表すグラフである。(b)、(c)はそれぞれ、サイジングダイの外周面上を流動する溶融樹脂に現れるその流動方向における温度分布、粘度分布を表すグラフである。 図3の示す押出成形装置を用いた中間転写ベルトまたは定着ベルトの基層の製造工程のフローチャートである。 (a)は、変形例によるサイジングダイの模式的な側面図であり、(b)は、溶融樹脂の流動方向におけるこのサイジングダイの表面粗さ分布を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
[画像形成装置の概略]
図1の(a)は、本発明の実施形態による画像形成装置100の外観を示す斜視図である。この画像形成装置100はプリンターである。その筐体の上面には排紙トレイ41が設けられ、その奥に開いた排紙口42から排紙されたシートを収容する。プリンター100の底部には給紙カセット11が引き出し可能に取り付けられている。
図1の(b)は、図1の(a)の示す直線b−bに沿ったプリンター100の模式的な断面図である。プリンター100はカラー対応の電子写真式であり、給送部10、作像部20、定着部30、および排紙部40を含む。給送部10はピックアップローラー12で給紙カセット11からシートSH1を1枚ずつ分離し、このシートをタイミングローラー13で作像部20へ送出する。「シート」とは、紙製もしくは樹脂製の薄膜状もしくは薄板状の材料、物品、または印刷物をいう。作像部20はたとえば中間体転写方式による印刷エンジンであり、従動プーリー21Lと駆動プーリー21Rとの間に掛け渡された中間転写ベルト21を(図1の(b)では反時計方向に)回転させてその表面をタンデム配置の4つの感光体ユニット20Y、20M、20C、20Kに処理させる。各ユニット20Y、…、20Kはまず、内蔵の感光体ドラム24Y、24M、24C、24Kの表面に単色のトナー像を形成する。その色は、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、およびブラック(K)のいずれかであり、ユニット20Y、…、20Kごとに異なる。これらのユニット20Y、…、20Kは次に、単色トナー像を感光体ドラム24Y、…、24Kから、それと1次転写ローラー22Y、22M、22C、22Kとの間のニップを通過する中間転写ベルト21の同じ表面部分へ転写する(1次転写)。こうしてその表面部分には4つの単色トナー像が重なり、1つのカラートナー像が形成される。このカラートナー像が駆動プーリー21Rと2次転写ローラー23との間のニップを通過するタイミングに合わせてそのニップへシートSH2がタイミングローラー13から通紙される。これによりそのニップではカラートナー像が中間転写ベルト21からシートSH2へ転写される(2次転写)。定着部30は、作像部20から送出されたシートSH3を定着ベルト31と加圧ローラー32との間のニップに通紙する。このとき、定着ベルト31はそのシートSH3の表面を加熱し、加圧ローラー32は同じ表面を加圧して定着ベルト31へ押し付ける。定着ベルト31からの熱と加圧ローラー32からの圧力とにより、トナー像がそのシートSH3の表面に定着する。排紙部40は、トナー像が定着したシートSH3を、排紙口42の内側に配置された排紙ローラー43で定着部30の上部から排紙口42の外へ送出して排紙トレイ41に載せる。
[画像形成装置で利用される無端ベルト]
図2の(a)は、図1の(b)が示す中間転写ベルト21の模式的な斜視図である。中間転写ベルト21は、たとえば幅数百mm、周長数十mm−数百mm、厚さ数百μm−数mmの無端ベルトである。特にプーリー21L、21Rと1次転写ローラー22Y、…、22Kとから外されれば中間転写ベルト21は、直径と高さとが同程度の太短い筒形状である。中間転写ベルト21の基層は、熱可塑性ポリイミド(PI)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等、耐熱性と機械強度とが高い樹脂から押出成形によって製造されている。その樹脂にはカーボン等の導電性添加剤が混練されており、その量によって中間転写ベルト21の電気抵抗値が調節されている。その結果、1次転写では感光体ドラム24Y、…、24Kと1次転写ローラー22Y、22M、22C、22Kとの間の電圧に応じて、2次転写では駆動プーリー21Rと2次転写ローラー23との間の電圧に応じて、適切な量の電流が中間転写ベルト21を流れる。すなわち、1次転写と2次転写とのいずれにおいてもトナーが過不足なく移動するので、トナー像の画質が高く維持される。
中間転写ベルト21の表面上には各感光体ドラム24Y、…、24Kからトナー像が転写される。したがって、トナー像の高い画質にはベルト表面の高い平滑性が必要である。また、中間転写ベルト21の表面上のトナー像は、シートSH2が駆動プーリー21Rと2次転写ローラー23との間のニップを通過する間に、そのシートSH2の表面上の正しい位置へ転写されなければならない。さらに、カラー印刷では4つの感光体ユニット20Y、…、20Kが4色のトナー像を、中間転写ベルト21の表面上の同じ位置に正確に重ねなければならない。このように中間転写ベルト21の回転が正確に制御されるには、ベルトの高い均質性、特に幅方向における周長および厚さの高い均一性が必要である。
図2の(b)は、図1の(b)が示す定着ベルト31の模式的な斜視図である。定着ベルト31は、たとえば長さ(幅)数百mm、直径数mm−数十mm、厚さ数百μm−数mmの細長い円管形状の無端ベルトである。定着ベルト31の基層は、熱可塑性PI、PPS等、耐熱性と機械強度との高い樹脂から押出成形によって製造されている。特に基層の高い剛性が定着ベルト31を円管形状に保つ。定着ベルト31は非張架ベルト(フリーベルト)であり、すなわちプーリー等の回転体には張架されていない。定着ベルト31は、基層の内側に配置された押圧パッド311とそれを保持する鋼材312とにより、基層の内周面を押圧パッド311の表面に沿って摺動させながら自身の中心軸のまわりに回転可能であるように支持されている。図2の(a)は示していないが、定着ベルト31は基層の外側に弾性層と離型層とを含む。弾性層は、基層の外側を覆うシリコーンゴム等、高弾性の耐熱性樹脂フィルムであり、離型層は、弾性層の外側を覆うポリテトラフルオロエチレン(PFA)等のフッ素樹脂フィルムである。これらの2層はたとえば、基層を構成する管状の押出成形品の外周面の上に、樹脂とフッ素樹脂とを重ねて塗布することによって形成されている。定着ベルト31のうち内周面が押圧パッド311と接触する部分では、その裏側の外周面が加圧ローラー32の外周面と接触してニップを構成する。このニップを通過するシートSH2に対して定着ベルト31は、基層の内側に配置されたハロゲンヒーター313から受けた熱を伝える。このとき、定着ベルト31の外周面は弾性層の柔らかさにより、そのシートSH2の表面の微細な凹凸に合うように変形する。これにより、シートSH2の表面のトナー像に熱がむらなく伝わるので、その光沢が均一化する。このニップの出口では定着ベルト31がシートSH2の表面から剥がれる際、離型層により、トナーがシートSH2の表面から定着ベルト31へ転移する現象(オフセット)が防止される。
このように、定着ベルト31はシートSH2の表面を加熱することでその表面にトナー像を定着させる。したがって、トナー像の高い画質にはその全体に加えられる熱の均一性が重要であるので、定着ベルト31はシートSH2に表面を密着させると共に、その密着部分に熱をむらなく一様に蓄えていなければならない。したがって、ベルト表面の高い平滑性に加えてベルトの高い均質性、特に幅方向における周長および厚さの高い均一性が必要である。
[押出成形装置の構造]
中間転写ベルト21と定着ベルト31とのいずれにもベルト表面の高い平滑性とベルトの高い均質性とが求められる。この要求を満たすべく、ベルト21、31の基層の押出成形には、以下に述べる押出成形装置を利用する。
図3の(a)は、本発明の実施形態による押出成形装置300の外観を模式的に示す斜視図であり、図3の(b)は、(a)の示す直線b−bに沿った模式的な断面図である。図2の(a)が示す中間転写ベルト21の基層と、図2の(b)が示す定着ベルト31の基層とは、この押出成形装置300によって製造される。押出成形装置300は、押出機310、環状ダイ320、サイジングダイ330、および引取機340を含む。
押出機310は樹脂を溶融させて環状ダイ320へ押し出す。具体的には、押出機310はまず、ホッパー311を通してシリンダー312の中へ樹脂ペレットを収容する。樹脂ペレットは、主原料の熱可塑性樹脂(たとえば熱可塑性PIまたはPPS)に必要な添加剤(たとえば電気抵抗調整用の導電性添加剤)を混練したものから成る細粒である。押出機310は次に、シリンダー312内で樹脂ペレットを加熱して溶融させ、液状化させる。押出機310は更に、スクリュー等(図は示していない。)を用いて液状の溶融樹脂をシリンダー312から環状ダイ320へ向けて押し流す。
環状ダイ320はたとえば金属製またはセラミック製の円柱部材であり、内部に流路321を含む。この流路321はたとえば、円柱形状の軸部材322とそのまわりを同軸に囲む円筒部材323との隙間により構成され、特に横断面(軸方向に対して垂直な断面)が両部材322、323と同軸の円環状である。流路321は環状ダイ320の側面の穴324を通して押出機310のシリンダー312に繋がっている。押出機310から押し出された溶融樹脂はこの穴324から流路321へ流れ込み、その全体に一様に拡がった上でそこから流れ出る。その結果、溶融樹脂は、図3が破線MLPで示すように、環状ダイ320と同軸の円管状になってその軸方向に伸びる。
サイジングダイ330はたとえば金属製またはセラミック製の円柱部材であり、環状ダイ320の流路321から溶融樹脂MLPが流れ出る方向(図ではX軸の正方向)の延長線上に、環状ダイ320と同軸に配置されている。サイジングダイ330の外径は環状ダイ320の流路321の内径以下であり、特に成形品である管状部材、たとえば中間転写ベルト21の基層、または定着ベルト31の基層の内径に等しい。したがって、環状ダイ320の流路321から流れ出た溶融樹脂MLPは、その円管形状の内周面の全周をサイジングダイ330の外周面に接触させた状態でその外周面に沿って軸方向(X軸の正方向)に流動する。
サイジングダイ330は更に、外周面上を流動する溶融樹脂MLPを冷却する構造を含む。具体的にはたとえば、サイジングダイ330の外周面の内側には循環路333が設けられ、環状ダイ320を軸方向に貫通する供給路325へ接続されている。この供給路325を通して循環路333には、水、油、空気等の冷媒が進入する。この冷媒を循環路333は外周面の全体に行き渡るように循環させる。サイジングダイ330の外周面上を流動する間にこの冷媒に熱を奪われるので、溶融樹脂MLPは冷却されて固化する。その結果、溶融樹脂MLPの円管形状、特にその内周面の形状はサイジングダイ330の外側面の形状に整合する。
引取機340は、サイジングダイ330を通過した円管形状の樹脂MLPを引き取る。具体的には、引取機340はたとえば、サイジングダイ330から円管形状の樹脂MLPが伸びる方向(図ではX軸の正方向)の延長線上に配置された一対のローラー341を含む。両ローラー341はそれぞれの外周面の間に樹脂MLPを挟んだ状態で回転する。これにより、樹脂MLPがサイジングダイ330から引き取られる。この樹脂MLPは所望の長さずつ、たとえば中間転写ベルト21または定着ベルト31の幅ずつ分割される。この分割部分が継ぎ目の無い1本の無端ベルト、たとえば中間転写ベルト21または定着ベルト31の基層として利用される。
[サイジングダイの表面粗さ分布]
この押出成形装置300を用いて中間転写ベルト21または定着ベルト31の基層を成形する場合、サイジングダイ330の表面粗さが特に重要である。この表面粗さが小さいほどベルト表面の平滑性は高いが、スティックスリップが生じやすいので幅方向におけるベルトの周長と厚さとの均一性を高く維持することが難しい。逆に、サイジングダイ330の表面粗さが大きいほどスティックスリップは生じにくいのでベルトの周長と厚さとのばらつきは抑えられるが、ベルトの表面粗さはサイジングダイ330の表面粗さと同程度の大きさに残る。ベルトの表面粗さの低減とその不均質な形状の抑制とを両立させることを目的として、押出成形装置300ではサイジングダイ330が次の構造を持つ。
サイジングダイ330の外周面は、溶融樹脂MLPの流動方向(図ではX軸方向)において環状ダイ320に近い(図ではX座標の小さい)順に第1領域331と第2領域332とを含む。いずれの領域331、332も環状である。これらの領域331、332の間では表面粗さが異なる。特に、第1領域331は第2領域332よりも表面粗さが小さい値に加工されている。
図4の(a)は、溶融樹脂MLPの流動方向におけるサイジングダイ330の表面粗さ分布を示すグラフである。このグラフの横軸は溶融樹脂MLPの流動方向における座標Xを表す。その原点X=0は、サイジングダイ330の外周面のうち環状ダイ320に最も近い位置を示す。
第1領域331は、原点X=0に位置するサイジングダイ330の縁から溶融樹脂MLPの流動方向(X軸の正方向)に拡がっている。第1領域331の表面粗さは、成形品に対する目標値RL(たとえば数百nm)よりも低い値R1に揃えられている。これは、第1領域331に対して鏡面加工を施すことにより達成される。具体的にはたとえば、第1領域331はめっきで覆われている。
第2領域332は、第1領域331に連続して溶融樹脂MLPの流動方向(X軸の正方向)へ、サイジングダイ330の反対側の縁X=X2まで拡がっている。第2領域332の表面粗さは、第2領域332を流動する溶融樹脂MLPによるスティックスリップを防ぎ得る下限値RU(たとえば数十μm)以上の値R2に揃えられている。これは、第2領域332に対してサンドブラスト等の梨地加工を施すことにより達成される。
[サイジングダイの表面粗さが溶融樹脂に与える影響]
第1領域331、第2領域332と順番に流動する間に、溶融樹脂MLPは冷却されて固化する。上記のとおり、表面粗さは、第1領域331、第2領域332の順に小さい。これにより、固化した樹脂MLPの表面粗さを目標値RL以下に留めると共に、樹脂MLPによるスティックスリップを抑制することができる。その理由は以下のとおりである。
−溶融樹脂の粘度−温度特性−
図5の(a)は、溶融樹脂MLPの粘度−温度特性曲線を表すグラフである。この図は明示していないが、グラフの縦軸は溶融樹脂MLPの粘度Vmlを、横軸はその温度Tmlを、それぞれ線形寸法(リニアスケール)で表している。このグラフが示すように、溶融樹脂MLPの粘度Vmlは温度Tmlの低下に伴い、指数関数的に上昇する。この粘度−温度特性は定性的には次のように説明される。熱可塑性樹脂は一般に室温では固体であり、加熱されて温度が融点を超えると溶融して液化する。溶融樹脂は冷却されて温度が下がるにつれて粘度を上昇させ、温度が融点を下回ると液状からゴム状へと変化する。熱可塑性樹脂のうち非晶性樹脂は温度がガラス転移温度まで降下すると固化(ガラス化)し、結晶性樹脂は温度が結晶化温度まで降下すると固化(結晶化)し始める。固化に伴い、いずれの樹脂も粘度が急激に上昇する。
−サイジングダイ上における溶融樹脂の温度分布−
図5の(b)は、サイジングダイ330の外周面上を流動する溶融樹脂MLPに現れるその流動方向における温度分布を表すグラフである。このグラフの縦軸は溶融樹脂MLPの温度Tmlを表し、横軸は、図4の(a)と同様、溶融樹脂MLPの流動方向における座標Xを表す。その原点X=0は、サイジングダイ330の外周面のうち環状ダイ320に最も近い位置を示す。溶融樹脂MLPはその外周面を流動する間、その外周面に熱を奪われ続けるので、その外周面上の流動距離、すなわち座標Xの増大に伴って温度Tmlが低下する。溶融樹脂MLPとサイジングダイ330の外周面との間の温度差が狭まるにつれ、樹脂MLPからその外周面に奪われる熱量は減少する。したがって、座標Xに対する温度Tmlの降下率すなわちグラフの傾きは、座標Xの増大に伴って緩やかになる。
−サイジングダイ上における溶融樹脂の粘度分布−
図5の(c)は、サイジングダイ330の外周面上を流動する溶融樹脂MLPに現れるその流動方向における粘度分布を表すグラフである。このグラフの縦軸は溶融樹脂MLPの粘度Vmlを表し、横軸は、図4の(a)と同様、溶融樹脂MLPの流動方向における座標Xを表す。その原点X=0は、サイジングダイ330の外周面のうち環状ダイ320に最も近い位置を示す。溶融樹脂MLPの温度Tmlは、図5の(b)が示すように、座標Xの増大に伴って低下し、粘度Vmlは、図5の(a)が示すように、温度Tmlの低下に伴って上昇する。したがって、図5の(c)が示すように、粘度Vmlは座標Xの増大に伴って上昇する。
図5の(b)が示すように、サイジングダイ330の外周面のうち軸方向における中央部CTAに対して環状ダイ320に近い側の縁とその近傍(以下、「第1端部」という。)、すなわち原点X=0とその近傍RDAでは、引取機340に近い側の縁とその近傍(以下、「第2端部」という。)、すなわち座標X=X2とその近傍PDAよりも温度Tmlが高く、かつ座標Xに対する温度Tmlの降下率が高い。一方、図5の(a)が示すように、温度Tmlが取り得る範囲のうち中間領域IMRに対して高温側HTRでは低温側LTRよりも粘度Vmlが著しく低く、かつ温度Tmlに対する粘度Vmlの変化率が著しく低い。したがって、粘度Vmlは、図5の(c)が示すように、サイジングダイ330の外周面の第1端部RDAでは最低値VLにほぼ等しく維持され、第2端部PDAでは最高値VHに向かって緩やかに上昇する。最低値VLは最高値VHに対して無視可能な程度に低い。外周面の中央部CTAでは温度Tmlが中間領域IMRに属し、粘度Vmlが最低値VLの近傍から最高値VHの近傍まで上昇する。したがって、中央部CTAは一般に、第1端部RDAと第2端部PDAとのいずれに比べても座標Xに対する粘度Vmlの上昇率が高く、すなわち粘度分布曲線の傾きが大きい。特にこの上昇率が最大となる点、すなわち粘度分布曲線の変曲点IFPが中央部CTAに現れる。
サイジングダイ330の軸方向(X軸方向)においてその全長に比べて中央部CTAが十分に短ければ、溶融樹脂MLPの粘度Vmlは変曲点IFPを境に最低値VLから最高値VHへ2値的に変化するとみなしてもよい。この変曲点IFPの座標X=X1に第1領域331と第2領域332との間の境界が設置される。
−第1領域の表面粗さの意義−
図4の(b)は、第1領域331の表面とそれに接触する溶融樹脂MLPの表面とを模式的に示す拡大断面図であり、特に第1領域331の表面粗さが溶融樹脂MLPによるスティックスリップを防ぎ得る下限値RUに等しい場合を示す。第1領域331は粘度分布曲線の変曲点IFPの座標X=X1に対して環状ダイ320の側に位置する。そこでは、溶融樹脂MLPの粘度Vmlが変曲点IFPでの値VTよりも低く、特に最低値VLと実質的に等しい値に維持される。したがって、第1領域331の表面に存在する凹凸が、仮に図4の(b)の示すような下限値RUの高低差、たとえば数十μmの高低差であれば、それらに忠実に従って溶融樹脂MLPの表面が変形する。第1領域331と第2領域332との間の境界X=X1の近傍では溶融樹脂MLPの粘度Vmlが急激に上昇するので、その境界X=X1を越えた溶融樹脂MLPの部分は、表面粗さが下限値RUと同程度に残り、成形品に対する目標値RLを過剰に超えたまま固化してしまう。
図4の(c)は、第1領域331の表面とそれに接触する溶融樹脂MLPの表面とを模式的に示す拡大断面図であり、特に第1領域331の表面粗さが成形品に対する目標値RLよりも小さい場合を示す。固化した樹脂MLPに過大な表面粗さが残ることを防ぐ目的で、第1領域331には鏡面加工が施され、たとえばめっきで覆われる。これにより、第1領域331の表面には図4の(c)の示すような小さな高低差、たとえば高々数百nmの微細な凹凸しか存在しない。したがって、仮にこれらに忠実に従って溶融樹脂MLPの表面が変形したとしても、第1領域331と第2領域332との間の境界X=X1を越えて固化した樹脂MLPの表面粗さは成形品に対する目標値RL以下に留まる。
−第2領域の表面粗さの意義−
図4の(d)は、第2領域332の表面とそれに接触する溶融樹脂MLPの表面とを模式的に示す拡大断面図であり、特に第2領域331の表面粗さが成形品に対する目標値RLよりも小さい場合を示す。第2領域332は粘度分布曲線の変曲点IFPの座標X=X1に対して引取機340の側に位置する。そこでは、溶融樹脂MLPの粘度Vmlが変曲点IFPでの値VTよりも高く、特に最高値VHに近い。したがって、溶融樹脂MLPの表面粗さは、第2領域332の表面粗さにかかわらず、成形品に対する目標値RL以下に維持される。仮に、第2領域332にも第1領域331と同様な鏡面加工が施され、その表面に図4の(d)の示すような小さな高低差、たとえば高々数百nmの微細な凹凸しか存在しなければ、その表面と真に接触する溶融樹脂MLPの表面部分TCPは面積が大きい。第2領域332と溶融樹脂MLPとの表面間で見かけの接触面積に対する真実接触面積の割合が十分に高ければ、第2領域332には溶融樹脂MLPが固着しやすいので、スティックスリップが生じる危険性は高い。第2領域332では溶融樹脂MLPはまだ完全には固化していない。もしスティックスリップが生じれば、それに伴って流動方向に伝搬する振動が溶融樹脂MLPの断面形状または厚さを、流動方向において過大に変動させうる。この状態のまま溶融樹脂MLPが固化すれば、成形品であるベルト21、31の基層には幅方向における周長、厚さの過大なばらつきが残りかねない。
図4の(e)は、第2領域332の表面とそれに接触する溶融樹脂MLPの表面とを模式的に示す拡大断面図であり、特に第2領域332の表面粗さが溶融樹脂MLPによるスティックスリップを防ぎ得る下限値RU以上である場合を示す。第2領域332では溶融樹脂MLPの粘度Vmlが変曲点IFPでの値VTよりも十分に高いので、サイジングダイ330の表面部分に微細な凹凸、たとえば数十μm程度の高低差が存在しても、その凹凸と同程度に粗い変形が生じる危険性は低い。その結果、図4の(e)が示すように、第2領域332と真に接触する溶融樹脂MLPの表面部分TCPの面積が十分に小さく、すなわち見かけの接触面積に対する真実接触面積の割合が十分に低い。したがって、第2領域332に溶融樹脂MLPが実質的には固着しないので、スティックスリップが生じる危険性は十分に低く抑えられる。
[押出成形を用いたベルトの製造工程の流れ]
図6は、押出成形装置300を用いた中間転写ベルト21または定着ベルト31の基層の製造工程のフローチャートである。
ステップS101では、押出機310が樹脂ペレットを溶融させて環状ダイ320へ押し出す。その後、処理はステップS102へ進む。
ステップS102では、押出機310から押し出された溶融樹脂を環状ダイ320が側面の穴324から内部の流路321へ流す。溶融樹脂MLPは流路321の全体に一様に拡がった上でそこから、環状ダイ320と同軸の円管状になってその軸方向に流れ出る。その後、処理はステップS103へ進む。
ステップS103では、環状ダイ320の流路321から流れ出た溶融樹脂MLPがサイジングダイ330の外周面を流動し始める。溶融樹脂MLPはまず、その円管形状の内周面の全周をサイジングダイ330の第1領域331に接触させた状態で軸方向に流動する。溶融樹脂MLPの温度Tmlは、図5の(a)が示す高温側HTRに属するので、溶融樹脂MLPの粘度Vmlは著しく低い値に保たれている。したがって、第1領域331の表面に存在する微細な凹凸に忠実に従って溶融樹脂MLPの表面が変形する。第1領域331を流動する間、溶融樹脂MLPはサイジングダイ330によって冷却されるので温度Tmlが低下し、やがて図5の(a)が示す高温側HTRから中間領域IMRへ移行する。これに伴い、溶融樹脂MLPの粘度Vmlは上昇を速めるので、溶融樹脂MLPはゴム状になる。しかし、第1領域331はめっきで覆われ、その表面粗さが成形品に対する目標値RLよりも小さい値R1に揃えられているので、溶融樹脂MLPの表面粗さはその目標値RL以下に留まる。その後、処理はステップS104へ進む。
ステップS104では、溶融樹脂MLPが第1領域331を通過して第2領域332を流動し始める。溶融樹脂MLPの温度Tmlは、図5の(a)が示す中間領域IMRから低温側LTRへ移行するので、溶融樹脂MLPの粘度Vmlは粘度分布曲線の変曲点IFPでの値VTを超えて上昇する。したがって、溶融樹脂MLPはその表面粗さを、第2領域332の表面粗さにかかわらず、成形品に対する目標値RL以下に保つ。第2領域332にはサンドブラストによる梨地加工が施されているので、その表面粗さは溶融樹脂MLPによるスティックスリップを防ぎ得る下限値RU以上の高い値に揃えられている。その結果、第2領域332では溶融樹脂MLPとの見かけの接触面積に対する真実接触面積の割合が十分に低いので、溶融樹脂MLPにスティックスリップが生じる危険性は十分に低く抑えられる。その後、処理はステップS105へ進む。
ステップS105では、サイジングダイ330による冷却の結果、溶融樹脂MLPが固化し、その円管形状がサイジングダイ330の外側面の形状に整合する。サイジングダイ330を通過したこの樹脂MLPを引取機340が引き取る。この樹脂MLPが中間転写ベルト21または定着ベルト31の幅ずつ分割されることにより、そのベルト21または31の基層が完成する。その後、処理は終了する。
[実施形態の利点]
本発明の実施形態によるMFP100では上記のとおり、中間転写ベルト21または定着ベルト31が、押出成形を用いて製造された基層を含む。この押出成形で利用されるサイジングダイ330は外側面に、環状ダイ320に近い順に第1領域331と第2領域332とを含み、第1領域331は第2領域332よりも表面粗さが小さい値に加工されている(R1<R2)。押出機310により環状ダイ320から押し出された管状の溶融樹脂MLPは、第1領域331、第2領域332の順に流動し、その流動の間に冷却されて固化し、その管形状がサイジングダイ330の外側面の形状に整合する。溶融樹脂MLPのうち、温度Tmlが十分に高く、サイジングダイ330の外周面上の凹凸に従って変形するほど粘度Vmlが低い部分は第1領域331に位置し、温度Tmlが十分に低く、サイジングダイ330の外周面上の凹凸にかかわらず表面の形状を保つことができるほど粘度Vmlが高い部分は第2領域331に位置する。第1領域331はたとえば鏡面加工により、その表面粗さが成形品に対する目標値RLよりも低い値R1に揃えられているので、第1領域331を通過して固化した樹脂MLPの表面粗さは十分に小さい。第2領域はたとえば梨地加工により、その表面粗さが溶融樹脂MLPによるスティックスリップを防ぎ得る下限値RU以上の値R2に揃えられているので、第2領域332を流動する溶融樹脂MLPにはスティックスリップが実質上生じない。その結果、第2領域332を通過し終えて完全に固化した樹脂MLP、すなわち成形品であるベルト21、31の基層は幅方向における周長、厚さの均一性が十分に高い。こうして、本発明の実施形態による押出成形装置300は、サイジングダイ330の表面粗さに起因する成形品の表面粗さを低減することと、スティックスリップに起因する成形品の不均質な形状を抑制することとを両立させることができる。
[変形例]
(A)本発明の上記の実施形態による画像形成装置100は電子写真式のカラープリンターである。本発明の実施形態による画像形成装置はその他に、モノクロプリンター、コピー機、FAX等のいずれの単機能機であっても、複合機(MFP)であってもよい。
(B)図1の(b)が示す定着部30のフリーベルトニップ構造では、加熱部材がベルト31であり、加圧部材がローラー32である。逆に、加熱部材がローラーであり、加圧部材がベルトであってもよい。また、定着ベルトはフリーベルト31に代えて、押圧パッド311と他のプーリーとの間に張架されたベルトであってもよい。
(C)図3の示す押出成形装置300ではサイジングダイ330が円柱部材であり、管状の溶融樹脂MLPの内側の表面に外周面を接触させてその溶融樹脂MLPを外周面に沿って流動させる。これにより成形品は円管形状に整えられ、特にその内周面がサイジングダイ330の外周面と同じ形状である。その他に、サイジングダイは円筒部材であり、管状の溶融樹脂の外側の表面に内周面を接触させてその溶融樹脂を内周面に沿って流動させてもよい。この場合、成形品は円柱形状に整えられ、特にその外周面がサイジングダイの内周面と同じ形状である。サイジングダイはまた、横断面が円以外の形状であってもよい。
(D)図3の示す引取機340は、サイジングダイ330を通過し終えた樹脂MLPを一対のローラー341の間に挟んでその樹脂MLPをサイジングダイ330から引き取る。その他に、引取機はローラー341に代えて無限軌道を利用してもよい。また、成形品が管状である場合、その内側に引取用のローラーまたは無限軌道が配置されてもよい。
(E)図3の示すサイジングダイ330の第1領域331には鏡面加工としてめっきが施されている。鏡面加工はその他に、バフによる研磨、電解研磨、または化学研磨であってもよい。図3の示すサイジングダイ330の第2領域332には梨地加工としてサンドブラストが施されている。梨地加工はその他に、ワイヤーブラシによる研磨、または分散めっきであってもよい。
(F)図3の示すサイジングダイ330の第1領域331は表層に、ニッケルめっき、フッ素樹脂膜等の離型層を含んでいてもよい。離型層は溶融樹脂MLPの固着を防ぐので、第1領域331の表面粗さがスティックスリップを防ぎ得る下限値RUよりもかなり低いにもかかわらず、溶融樹脂MLPにスティックスリップが生じる危険性が更に低減する。
(G)図3の示すサイジングダイ330では第1領域331に第2領域332が連続している。これは、サイジングダイ330の軸方向においてその全長に比べて中央部CTA(すなわち、サイジングダイ330の外周面のうち、流動する溶融樹脂MLPの温度Tmlが粘度−温度特性曲線の中間領域IMRに属する部分)が十分に短いので、溶融樹脂MLPの粘度Vmlがその特性曲線の変曲点IFPを境に2値的に変化するとみなせることによる。サイジングダイはその他に、第1領域と第2領域との間に、溶融樹脂MLPの流動方向において表面粗さが徐々に変化する領域を更に含んでいてもよい。
図7の(a)は、変形例によるサイジングダイ830の模式的な側面図であり、(b)は、溶融樹脂MLPの流動方向におけるこのサイジングダイ830の表面粗さ分布を示すグラフである。このグラフの横軸は溶融樹脂MLPの流動方向における座標Xを表す。その原点X=0は、サイジングダイ830の外周面のうち環状ダイ320に最も近い位置を示す。第1領域831は、表面粗さが成形品に対する目標値よりも低い値R1に揃えられた領域である。この領域831は図5の(c)が示す第1端部RDA、すなわち流動する溶融樹脂の温度Tmlが高温側HTRに属し、粘度Vmlが最低値VLにほぼ等しく維持される範囲に相当する。第2領域832は、表面粗さが流動する溶融樹脂によるスティックスリップを防ぎ得る下限値以上の値R2に揃えられた領域である。この領域832は図5の(c)が示す第2端部PDA、すなわち流動する溶融樹脂の温度Tmlが低温側LTRに属し、粘度Vmlが最高値VHに向かって緩やかに上昇する範囲に相当する。第1領域831と第2領域832との間に挟まれた領域833は、表面粗さが第1領域831の値R1から第2領域832の値R2まで連続的に変化する領域である。この領域833は図5の(c)が示す中央部CTA、すなわち流動する溶融樹脂の温度Tmlが中間領域IMRに属し、粘度Vmlが最低値VLの近傍から最高値VHの近傍まで上昇する範囲に相当する。この領域833の中には特に、図5の(c)が示す溶融樹脂の粘度分布曲線の変曲点IFPの座標X=X1が位置する。
この領域833の表面粗さは、図7の(b)が示す連続的な変化の他に、階段状に変化してもよい。いずれの変化も、たとえばバフ研磨、電解研磨、または化学研磨を様々な度合いで反復することにより実現可能である。この領域833では表面粗さが、溶融樹脂の流動距離、すなわち座標Xの増大に伴う粘度Vmlの上昇に合わせて増大する。これにより、サイジングダイ330の軸方向においてその全長に対する中央部CTAの長さの割合が高くても、サイジングダイ830の表面粗さに起因する成形品の表面粗さを低減することと、スティックスリップに起因する成形品の不均質な形状を抑制することとを両立させることができる。
本発明は、押出成形装置に搭載されるサイジングダイに関し、上記のとおり、その側面のうち環状ダイの側に位置する第1領域では、引取機の側に位置する第2領域よりも、表面粗さを小さく加工する。このように、本発明は明らかに産業上利用可能である。
100 画像形成装置
10 給送部
20 作像部
30 定着部
31 定着ベルト
32 加圧ローラー
300 押出成形装置
310 押出機
320 環状ダイ
321 環状ダイ内の流路
322 環状ダイの軸部材
323 環状ダイの円筒部材
324 環状ダイの側面の穴
325 冷媒の供給路
330 サイジングダイ
331 サイジングダイの第1領域
332 サイジングダイの第2領域
333 サイジングダイ内の循環路
340 引取機
341 成形品の引取用ローラー
MLP 溶融樹脂

Claims (14)

  1. 押出機と引取機との間に設置可能な部材であり、前記押出機が環状ダイを通して前記引取機に向かって押し出した管状の溶融樹脂の外側または内側の表面に接触する側面を含み、当該溶融樹脂を前記側面に沿って流動させることにより、当該溶融樹脂の形状を前記側面の形状に整合させるサイジングダイであって、
    前記側面は、溶融樹脂の流動方向において前記環状ダイに近い順に第1領域と第2領域とを含み、
    前記第1領域は前記第2領域よりも表面粗さが小さい
    ことを特徴とするサイジングダイ。
  2. 前記第1領域の表面粗さは、成形品に対する目標値以下であり、
    前記第2領域の表面粗さは、前記第2領域を流動する溶融樹脂にスティックスリップが生じるのを防ぎ得る値以上である
    ことを特徴とする請求項1に記載のサイジングダイ。
  3. 前記第1領域は、前記側面のうち鏡面加工がされた部分であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のサイジングダイ。
  4. 前記第1領域に対する鏡面加工は、めっきであることを特徴とする請求項3に記載のサイジングダイ。
  5. 前記第1領域は表層に離型層を含む、請求項1から請求項4までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  6. 前記側面の上を流動する溶融樹脂が示す流動方向における粘度分布は変曲点を含み、当該変曲点の位置に対して前記環状ダイの側に前記第1領域は位置し、前記引取機の側に前記第2領域は位置することを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  7. 溶融樹脂の流動方向において前記第1領域と前記第2領域とが連続していることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  8. 前記側面は前記第1領域と前記第2領域との間に、溶融樹脂の流動方向において表面粗さが徐々変化する領域を更に含む、請求項1から請求項7までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  9. 冷媒を循環させることにより、前記側面の上を流動する溶融樹脂を冷却する構造を更に備えた請求項1から請求項8までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  10. 前記サイジングダイは柱状であり、前記側面は、前記管状の溶融樹脂の内側の表面に接触することを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  11. 前記サイジングダイは筒状であり、前記側面は、前記管状の溶融樹脂の外側の表面に接触することを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のサイジングダイ。
  12. 樹脂を溶融させて押し出す押出機と、
    横断面が環状である流路を含み、前記押出機から押し出された溶融樹脂を当該流路で流動させる環状ダイと、
    前記環状ダイの流路から流れ出た管状の溶融樹脂を側面に沿って流動させることにより当該溶融樹脂の形状を前記側面の形状に整合させる請求項1から請求項11までのいずれかに記載のサイジングダイと、
    前記サイジングダイを通過した管状の成形品を引き取る引取機と、
    を備えた押出成形装置。
  13. 押出機が樹脂を溶融させて押し出すステップと、
    前記押出機から押し出された溶融樹脂を、環状ダイが含む横断面が環状である流路に流すステップと、
    前記環状ダイの流路から流れ出た管状の溶融樹脂を、請求項1から請求項11までのいずれかに記載のサイジングダイの側面に沿って流動させ、その流動の間に当該溶融樹脂を冷却して固化させることにより、当該溶融樹脂の形状を前記側面の形状に整合させるステップと、
    前記サイジングダイを通過した管状の成形品を引取機が引き取るステップと、
    を有する管状部材の製造方法。
  14. 前記管状部材は、電子写真式の画像形成装置においてトナー像の転写または定着に利用される無端ベルトであることを特徴とする請求項13に記載の管状部材の製造方法。
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