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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-05
(45)【発行日】2024-06-13
(54)【発明の名称】現像ロール
(51)【国際特許分類】
   G03G 15/08 20060101AFI20240606BHJP
【FI】
G03G15/08 235
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2022532301
(86)(22)【出願日】2021-03-16
(86)【国際出願番号】 JP2021010621
(87)【国際公開番号】W WO2021256028
(87)【国際公開日】2021-12-23
【審査請求日】2022-11-15
(31)【優先権主張番号】P 2020105318
(32)【優先日】2020-06-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004385
【氏名又は名称】NOK株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109380
【弁理士】
【氏名又は名称】小西 恵
(74)【代理人】
【識別番号】100109036
【弁理士】
【氏名又は名称】永岡 重幸
(74)【代理人】
【識別番号】100125335
【弁理士】
【氏名又は名称】矢代 仁
(72)【発明者】
【氏名】大浦 孝祐
(72)【発明者】
【氏名】池田 篤
(72)【発明者】
【氏名】福岡 智
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 憲司
【審査官】小池 俊次
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-005017(JP,A)
【文献】特開2006-276714(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G03G 15/08
G03G 15/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される現像ロールであって、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備え、
値Xが65.6N/mm以上であって、
値Yが229μm以上である、
ことを特徴とする現像ロール。
ここで、値Xは、下記の式から計算され、
X=P/(D・A)-P/(D・A)
は、先端直径が40μmの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重であり、Dは荷重Pで前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位であり、Aは前記プローブの先端面積であり、
は、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重であり、Dは荷重Pで前記プローブによってもたらされた前記材料ロールの変位であり、
値Yは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。
【請求項2】
値Xが215.5N/mm以下であって、
値Yが890μm以下である、
ことを特徴とする請求項1に記載の現像ロール。
【請求項3】
電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される現像ロールであって、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備え、
値Zが6.56N/mm以上であって、
値Yが229μm以上である、
ことを特徴とする現像ロール。
ここで、値Zは、下記の式から計算され、
Z=(P-P)/A
は、先端直径が40μmの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重であり、Pは、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重であり、Aは前記プローブの先端面積であり、
値Yは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。
【請求項4】
値Zが21.55N/mm以下であって、
値Yが890μm以下である、
ことを特徴とする請求項に記載の現像ロール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子写真方式を利用する画像形成装置における現像ロールに関する。
【背景技術】
【0002】
電子写真方式を利用する画像形成装置には、感光体ドラムに現像剤すなわちトナーを供給する現像装置が設けられている。現像装置は、トナー容器と、現像ロールを有する。現像ロールの外周面に付着したトナーは、現像ロールの回転に伴って、感光体ドラムに供給される。感光体ドラムには静電潜像が形成されており、静電潜像にトナー粒子が現像ロールから転移することによって、トナー顕像が生成される(特許文献1)。
【0003】
現像装置は、さらに規制ブレードまたはドクターブレードと呼ばれる部材を有する。ドクターブレードは、現像ロールに付着してトナー容器から搬送されるトナー粒子の量を規制する。ドクターブレードは、現像ロールにある程度の力で接触させられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2002-372855号公報
【発明の概要】
【0005】
現像ロールは、感光体ドラムにある程度の力で接触させられており、上記のようにドクターブレードからも力を受ける。このような力を受ける環境で使用される現像ロールの耐久性を高める需要がある。
【0006】
そこで、本発明は、高い耐久性を有する現像ロールを提供する。
【0007】
本発明のある態様に係る現像ロールは、電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される。現像ロールは、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備える。この現像ロールにおいて、値Xが65.6N/mm以上であって、値Yが229μm以上である。ここで、値Xは、下記の式から計算される。
X=P/(D・A)-P/(D・A)
は、先端直径が40μmの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重である。Dは荷重Pで前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。Aは前記プローブの先端面積である。Pは、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重である。Dは荷重Pで前記プローブによってもたらされた前記材料ロールの変位である。値Yは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。
【0008】
値Xは、表層の圧縮強さの一種の指標である。この態様においては、値Xが65.6N/mm以上であることによって、表層の摩耗が少ない。値Yは、表層の圧縮靭性の指標である。この態様においては、値Yが229μm以上であることによって、表層が弾性層から剥離しにくい。したがって、値Xが65.6N/mm以上であって、値Yが229μm以上である場合、現像ロールは高い耐久性を有し、その寿命が長い。
【0009】
本発明のある態様に係る現像ロールは、電子写真方式を利用する画像形成装置で使用される。現像ロールは、金属製の芯材と、前記芯材の周囲に配置されたゴム製の弾性層と、前記弾性層の周囲に配置された表層とを備える。この現像ロールにおいて、値Zが6.56N/mm以上であって、値Yが229μm以上である。ここで、値Zは、下記の式から計算される。
Z=(P-P)/A
は、先端直径が40μmの円錐台形状の金属製のプローブを、前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重である。Pは、前記プローブを、前記芯材と前記弾性層を有し前記表層を有しない材料ロールに押し付けて前記材料ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重である。Aは前記プローブの先端面積である。値Yは、前記プローブを前記現像ロールに押し付けて前記現像ロールの径方向に変位させて、前記表層を突き破った時の、前記プローブによってもたらされた前記現像ロールの変位である。
【0010】
値Zは、表層の圧縮強さの一種の指標である。この態様においては、値Zが6.56N/mm以上であることによって、表層の摩耗が少ない。値Yは、表層の圧縮靭性の指標である。この態様においては、値Yが229μm以上であることによって、表層が弾性層から剥離しにくい。したがって、値Zが6.56N/mm以上であって、値Yが229μm以上である場合、現像ロールは高い耐久性を有し、その寿命が長い。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の実施形態に係る現像ロールの使用状態を示す図である。
図2】実施形態に係る現像ロールの断面図である。
図3】圧縮試験中の現像ロールの正面図である。
図4】圧縮試験中の現像ロールの拡大断面図である。
図5】圧縮試験中の現像ロールの拡大断面図である。
図6】圧縮試験から得られる荷重-変位線図である。
図7】現像ロールの表面に発生しうる摩耗痕を示す現像ロールの平面図である。
図8】現像ロールの表層の剥離を示す現像ロールの平面図である。
図9】現像ロールの表層の剥離を示す現像ロールの断面図である。
図10】現像ロールの複数のサンプルの表層の指標の測定結果と、これらのサンプルの耐久性試験の結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る実施形態を説明する。図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、一部の特徴は誇張または省略されることもある。
【0013】
図1に示すように、電子写真方式を利用する画像形成装置は、感光体ドラム10と現像装置11を有する。感光体ドラム10は矢印の方向に回転する。現像装置11は、現像剤であるトナー粒子12を感光体ドラム10に供給する。感光体ドラム10の表面には、潜像形成装置(図示せず)によって静電潜像が形成されており、静電潜像にトナー粒子12が現像装置11から転移することによって、トナー粒子12によるトナー顕像が感光体ドラム10の外周面に生成される。
【0014】
現像装置11は、トナー粒子の集合13を貯蔵するトナー容器14、トナー容器14内に全部が配置された弾性ロール15、トナー容器14内に一部が配置された現像ロール20、およびトナー容器14に支持されたドクターブレード16(規制ブレード)を有する。弾性ロール15は現像ロール20に向けて押圧されており、現像ロール20は感光体ドラム10に向けて押圧されている。弾性ロール15と現像ロール20は、それぞれ矢印で示す方向に回転させられ、トナー容器14内のほぼ一定量のトナー粒子が現像ロール20に付着する。したがって、現像ロール20の外周面にトナー粒子の薄い層が形成される。現像ロール20の回転に伴って、現像ロール20に付着したトナー粒子は、感光体ドラム10に向けて搬送される。トナー容器14のトナー粒子の出口に配置されたドクターブレード16は、現像ロール20の外周面に押圧されており、現像ロール20に付着してトナー容器14から搬送されるトナー粒子の量を規制する。このように、現像ロール20は、感光体ドラム10、弾性ロール15、ドクターブレード16の各々に、ある程度の力で接触させられている。
【0015】
図示しないが、現像装置11には、トナー容器14内のトナー粒子の集合13を攪拌する部材、トナー容器14内のトナー粒子を搬送するスクリューなどを設けてもよい。
【0016】
図2に示すように、現像ロール20は、金属製の円柱形の芯材21と、芯材21の周囲に配置されたゴム製の均一な厚さの弾性層22と、弾性層22の周囲に配置されたゴム製の均一な厚さの表層23を備える。芯材21の直径は数mmであり、弾性層22の厚さは1~3mmであり、表層23の厚さは数μm~数十μmである。
【0017】
弾性層22と表層23の両方はゴムから形成されている。実施形態では、弾性層22と表層23の両方はシリコーンゴムから形成されている。但し、弾性層22は現像ロール20の弾性を確保するために設けられ、表層23は現像ロール20の表面の耐摩耗性を向上するために設けられている。したがって、表層23の材料の成分は、弾性層22の材料の成分と異なる。
【0018】
実施形態では、表層23は下記のようにして製造した。
まず、第1段階で、下記の材料を混合した。
固形分が80重量%であるウレタン変性ヘキサメチレンジイソシアネート(旭化成株式会社(日本国東京)で製造された「デュラネート」(商品名)のグレード「E402-80B」)を、16.5重量%、
反応性シリコーン油(信越化学工業株式会社(日本国東京)で製造された「X-22-160AS」(商品名))を、36.7重量%、
希釈溶剤として酢酸ブチルを、46.8重量%。
【0019】
そして、混合物を120℃で3時間放置することで、成分の反応を促し、プレポリマーを生成した。
【0020】
次に、第2段階で、下記の材料を混合した。
第1段階で生成されたプレポリマー、
バインダーとして、固形分が75重量%であるイソシアネート(住化コベストロウレタン株式会社(日本国兵庫)で製造された「デスモジュールL75」(商品名))、
固形分が20~30重量%であるカーボン分散液(御国色素株式会社(日本国兵庫)で製造された「MHI-BK」(商品名))、
希釈溶剤として酢酸ブチルを、44.7重量%。
【0021】
さらに、第3段階で、第2段階で得られた混合物に、シリコーンゴム粒子を2.6重量%添加して、コーティング液を得た。シリコーンゴム粒子は、デュポン・東レ・スペシャルティ・マテリアル株式会社(日本国東京)で製造された「EP-2720」(商品名)であった。デュロメータ(「JIS K 6253」および「ISO 7619」に準拠した「タイプA」)を用いて測定したシリコーンゴム粒子の硬度は、70度であった。シリコーンゴム粒子の平均粒径は2μmであった。
【0022】
第4段階で、このコーティング液を弾性層22の周囲にコートして、乾燥させることで、表層23を形成した。
【0023】
出願人は、表層23の材料成分を調整し、表層23の性質が異なる複数のサンプルを製造した。具体的には、第2段階のプレポリマー、イソシアネート、カーボン分散液の割合を変更した。
【0024】
各サンプルにおいて、芯材21の直径は6mmであり、弾性層22の厚さは1.5mmであり、表層23の厚さは10μm±2μmであった。但し、1つのサンプル(図11のサンプル20)では、表層23の厚さは20μmであった。
【0025】
出願人は、これらのサンプルの表層23の耐久性を示す指標X,Yを測定した。また、出願人は、実際にこれらのサンプルをプリンターに装着してサンプルの耐久性を試験した。
【0026】
図3から図5は、サンプルの表層23の耐久性を示す指標を測定するための圧縮試験の様子を示す。圧縮試験では、圧縮試験機30を使用した。圧縮試験機30は、円柱形状の可動軸31と、可動軸31の先端に形成されたプローブ32を有する。可動軸31とプローブ32は金属製である。圧縮試験機30は、自動的に可動軸31を押し下げながら、プローブ32の変位とプローブ32に与えられる荷重を測定することができる。
【0027】
圧縮試験機30として、Ludwig Nano Prazision GmbH(ドイツ国ノルトハイム)で製造された「LNP nano touch」を使用した。プローブ32は、可動軸31から離れるほど直径が小さい円錐台形状であり、プローブ32の先端直径dは40μmであった。円錐台の頂角θは30度であった。
【0028】
図3に示すように、現像ロール20の長手方向中央にプローブ32の先端を接触させ、可動軸31を駆動して、プローブ32を現像ロール20の外周面の法線方向(径方向)に押し込んだ。「LNP nano touch」でV-controlモードを選択したことにより、押し込み速度は、ほぼ一定であり、約50μm/sであった。押し込みの最大深さは、弾性層22の厚さである1.5mmより、僅かに小さく設定した。
【0029】
押し込みの工程の間中、プローブ32の変位とプローブ32に与えられる荷重を記録した。「LNP nano touch」では、変位の分解能(変位の読み取りの刻み)は10nmである。記録結果から、値Xと値Yと値Zを得た。
【0030】
値Xと値Zは下記の式から計算された。
=P/(D・A)
=P/A
【0031】
ここで、Pは、先端直径dが40μmの円錐台形状の金属製のプローブ32を、現像ロール20に押し付けて現像ロール20を径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重である。つまり、P図4の状態でのプローブ32に与えられる荷重である。Dは、荷重Pでプローブ32によってもたらされた現像ロール20の変位である。要するに、Dは、図4の状態でのプローブ32の変位であるから、約100μmであるが、押し込みの工程において、プローブ32の変位の読み取り値が100μmを初めて超えた時の、その読み取り値である。より正確にいえば、Pも、押し込みの工程において、プローブ32の変位の読み取り値が100μmを初めて超えた時の荷重である。
【0032】
Aは、プローブ32の先端面積であり、下記の式から計算される。
A=π・(d/2)
【0033】
値Yは、プローブ32を現像ロール20に押し付けて現像ロール20の径方向に変位させて、図5に示すように、表層23を突き破った時の、プローブ32によってもたらされた現像ロール20の変位である。図6は、圧縮試験から得られる荷重-変位線図である。値Yは、図6に示すような、急激な荷重の下落が起こった時の変位量である。値Yは、圧縮試験で得られる値であるが、引っ張り試験での破断伸びに対応する。但し、破断伸びは、変形量を元の全長で除算して得られる歪、すなわち無次元量であるが、値Yは変形量であって、μmで表される。値Yは、表層23の圧縮靭性の指標である。
【0034】
一方、値Xは、現像ロール20の圧縮強さ(端的に言えば硬さ)の指標であると考えることができる。但し、Xは、表層23だけでなく弾性層22の硬さの影響を受けている。そこで、芯材21と弾性層22を有し、表層23を有しない材料ロール(図示せず)を準備し、材料ロールについて、値Xと値Zを下記の式から計算した。
【0035】
=P/(D・A)
=P/A
ここで、Pは、プローブ32を、材料ロールに押し付けて材料ロールを径方向に100μm深く変位させるのに要する荷重である。Dは、荷重Pでプローブ32によってもたらされた材料ロールの変位である。Dは、約100μmであるが、押し込みの工程において、プローブ32の変位の読み取り値が100μmを初めて超えた時の、その読み取り値である。より正確にいえば、Pも、押し込みの工程において、プローブ32の変位の読み取り値が100μmを初めて超えた時の荷重である。
【0036】
そして、弾性層22の硬さの影響が相殺された値Xと値Zを下記の式から計算した。
X=X-X
Z=Z-Z
【0037】
したがって、値Xと値Zは下記の式から計算されうる。
X=P/(D・A)-P/(D・A)
Z=(P-P)/A
【0038】
値Xと値Zは、表層23の圧縮強さ(端的に言えば硬さ)の指標であると考えることができる。具体的には、値Xは、プローブ32によって現像ロール20が径方向に100μm変位させられるのに要する力とプローブ32によって材料ロールが径方向に100μm変位させられるのに要する力の差を、ロールに突き刺されたプローブ32の体積で除算した値とほぼ等しい。値は、上記力の差を、プローブ32の先端面積で除算した値と等しい。
【0039】
耐久性試験では、ブラザー工業株式会社(日本国愛知)で製造されたカラープリンター「HL-L8360CDW」(商品名)に、各サンプルを装着した。そして、プリンターで印刷を行い、各サンプルが、6000枚のA4のシートへの印刷の後、表層23が摩耗痕を有するか否か、および表層23の剥離を有するか否かを目視で判断した。印刷では、各シートの全面に1%の濃度の一様な画像を形成した。
【0040】
表層23の過度な摩耗は、図7の現像ロール20の平面図に示すように、表層23に線状の摩耗痕40として現れる。摩耗痕40は、現像ロール20の周方向に延びる。これは、回転する現像ロール20の外周面にドクターブレード16の一部が接触し、表層23を摩耗させることが原因である。
【0041】
表層23の剥離は、図8(平面図)および図9(断面図)に示すように、弾性層22の露出をもたらす。
【0042】
図10は、複数のサンプルの値X,Y,Zと、これらのサンプルの耐久性試験の結果を示す。サンプル1~12、20においては、表層23に摩耗痕も剥離も発生しなかった。サンプル13~19においては、表層23に摩耗痕または剥離が発生した。
【0043】
図10に示された結果から、値Xが65.6N/mm以上であって、値Yが229μm以上であることが好ましいことが分かる。また、値Zが6.56N/mm以上であって、値Yが229μm以上であることが好ましいことが分かる。値Xと値Zは、表層23の圧縮強さの一種の指標である。値Xが65.6N/mm以上であることによって、表層23の摩耗が少ない。値Zが6.56N/mm以上であることによって、表層23の摩耗が少ない。値Xと値Zがより小さいサンプル13~15では、表層23に摩耗痕が発生した。
【0044】
値Yは、表層23の圧縮靭性の指標である。値Yが229μm以上であることによって、表層23が弾性層22から剥離しにくい。値Yがより小さいサンプル16~19では、表層23の剥離が発生した。
【0045】
したがって、値Xが65.6N/mm以上であって、値Yが229μm以上である場合、現像ロール20は高い耐久性を有し、その寿命が長い。同様に、値Zが6.56N/mm以上であって、値Yが229μm以上である場合、現像ロール20は高い耐久性を有し、その寿命が長い。
【0046】
値X,Y,Zの好ましい上限は不明であるが、値Xが215.5N/mmであり、値Zが21.55N/mmであるサンプル12では表層23に摩耗痕も剥離も発生せず、値Yが890μmであるサンプル1では表層23に摩耗痕も剥離も発生しなかった。したがって、値Xの好適な範囲は、65.6N/mmから215.5N/mmの範囲を少なくとも含み、値Yの好適な範囲は、229μmから890μmの範囲を少なくとも含む。値Zの好適な範囲は、6.56N/mmから21.55N/mmの範囲を少なくとも含む。
【0047】
サンプル20の表層23の厚さは、20μmであって、他のサンプルの表層23の厚さより大きい。サンプル20の表層23の材料成分は、サンプル2の表層23の材料成分と同じであり、サンプル2,20の相違は表層23の厚さのみである。サンプル2,20は、ほぼ同じ結果を有する。したがって、表層23の厚さが異なっていても、値Xが65.6N/mm以上であって、値Yが229μm以上であることが好ましいと考えられる。同様に、値Zが6.56N/mm以上であって、値Yが229μm以上であることが好ましいと考えられる。
【0048】
以上、本発明の好ましい実施形態を参照しながら本発明を図示して説明したが、当業者にとって特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細の変更が可能であることが理解されるであろう。このような変更、改変および修正は本発明の範囲に包含されるはずである。
【符号の説明】
【0049】
20 現像ロール
21 芯材
22 弾性層
23 表層
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10