JP2020190722A - 現像ローラ、プロセスカートリッジおよび電子写真画像形成装置 - Google Patents

現像ローラ、プロセスカートリッジおよび電子写真画像形成装置 Download PDF

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Kenta Matsunaga
賢太 松永
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Abstract

【課題】高温高湿を含む環境下で長期間使用した場合においても、電子写真画像の画像濃度を均一に保つことが可能な現像ローラの提供。【解決手段】該現像ローラは、導電性の軸芯体と、該軸芯体上の導電層とを有し、該現像ローラの外表面は、電気絶縁性を有する第1の領域と、該第1の領域よりも高い導電性を有する第2の領域と、を含み、該第1の領域と該第2の領域とは、互いに隣接して配置されており、該第1の領域は、該導電層の外表面上に配置され、該第1の領域は、その外表面において測定されるビッカース硬度が10.0以上であり、かつ、その外表面において測定される圧子圧入法による破壊靱性値が800Pa・m0.5以上である。【選択図】図1

Description

本開示は、現像ローラ、プロセスカートリッジおよび電子写真画像形成装置に関する。
近年、電子写真画像形成装置(電子写真装置)として、小型化、省エネルギー化が求められる傾向が高まり、現像装置に用いられるトナー供給ローラは、低トルク化や小径化したローラが用いられる傾向がある。しかしながら、トナー供給ローラの小径化や低トルク化を行うと、現像ローラへのトナー供給量が減少するという課題があった。
また、さらなる電子写真装置の小型化手段として、トナー供給ローラを有しない電子写真装置がある。しかしながら、トナー供給ローラを有しない電子写真装置は、現像ローラへのトナー供給能力が不足することにより、適切な濃度の電子写真画像を出力できない場合があった。
特許文献1では、十分な量のトナーを担持し得る現像ローラを開示している。特許文献1に係る現像ローラは、ローラの表面近傍に多数の微小閉電界が形成され、この閉電界によりトナーが引き付けられる。このことにより、現像ローラの表面に十分な量のトナーを担持し得る。
特許文献2は、アクリロイル基またはメタクリロイル基含有化合物の重合体を絶縁部に用いることで絶縁部の耐摩耗性を向上させた電子写真用部材を開示している。本発明者は、特許文献2に係る導電性部材は、現像部材として長期にわたる電子写真画像の形成に供した場合においても安定した濃度の電子写真画像を形成し得ることを確認している。
特開平04−50877号公報 特開2017−72831号公報
本発明者らの検討によれば、特許文献2に係る現像ローラは、温度15℃、相対湿度10%(以降、10%RHとも記す)の如き低温低湿環境下で24時間放置した後、同環境下で長期にわたる電子写真画像の形成に供した場合においても均一な画像濃度の電子写真画像を形成し得ることを確認した。
そこで、本発明者らは、特許文献2に係る現像ローラについて、さらに過酷な条件下での耐久性を検討した。具体的には、以下の如きヒートサイクル試験に供した。その結果、ヒートサイクル試験後の現像ローラを電子写真画像の形成に供したところ、電子写真画像の濃度が低下する場合があった。
ヒートサイクル試験
新品の現像ローラを、温度40℃、95%RHの高温高湿環境下に12時間放置する。続いて、現像ローラを、温度15℃、10%RHの低温低湿環境下に移して12時間放置する。この、高温高湿環境下での12時間放置と、それに引き続く低温低湿環境下に12時間放置とを1サイクルとし、5サイクル繰り返す。
本開示の一態様は、より過酷な環境下に暴露された場合においても、高品位な電子写真画像を安定して形成し得る現像ローラの提供に向けたものである。
また、本開示の他の態様は、高品位な電子写真画像の安定的な形成に資するプロセスカートリッジの提供に向けたものである。さらに、本開示の一態様は、高品位な電子写真画像を安定して形成することのできる電子写真画像形成装置の提供に向けたものである。
本開示の一態様によれば、導電性の軸芯体と、該軸芯体上の導電層とを有する現像ローラであって、該現像ローラの外表面は、電気絶縁性を有する第1の領域と、該第1の領域よりも高い導電性を有する第2の領域と、を含み、該第1の領域と該第2の領域とは、互いに隣接して配置されており、該第1の領域は、該導電層の外表面上に配置され、該第1の領域は、その外表面において測定されるビッカース硬度が10.0以上であり、かつ、その外表面において測定される圧子圧入法による破壊靱性値が800Pa・m0.5以上である現像ローラが提供される。
また、本開示の他の態様によれば、電子写真画像形成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、少なくとも現像手段を具備し、該現像手段が、上述の現像ローラを有するプロセスカートリッジが提供される。
さらに、本開示の他の態様によれば、現像手段を具備する電子写真画像形成装置であって、該現像手段が上述の現像ローラを有する電子写真画像形成装置が提供される。
本開示の一態様によれば、高温高湿を含む環境下で長期間使用した場合においても、電子写真画像の画像濃度を均一に保つことが可能な現像ローラを得ることができる。また、本開示の他の態様によれば、高品位な電子写真画像を安定して形成することのできるプロセスカートリッジおよび電子写真画像形成装置を得ることができる。
本開示の現像ローラの二つの実施態様を示す概略断面図である。 本開示の一態様に係るプロセスカートリッジの一例の概略構成図である。 本開示の一態様に係る電子写真装置の一例の概略構成図である。
特許文献2に係る現像ローラをヒートサイクル試験に供した場合における電子写真画像の濃度の低下の原因は、ヒートサイクル試験に供した結果、当該現像ローラの絶縁部に微細なクラックが生じたことに起因すると考えられる。
すなわち、特許文献2に係る現像ローラは、耐摩耗性については良好であるが、絶縁部の構成材料の選択によっては、絶縁部が脆くなり、トナー規制部材や感光ドラムとの接触によって、絶縁部に徐々に微細なクラックが発生することを見出した。クラックが生じた絶縁部は、表面積が大きくなるため、水分がより吸着しやすい。水分が吸着した絶縁部は、導電性が高くなるため、蓄積し得る電荷の量が低下する。トナーを絶縁部に引き付けるためのクーロン力やグラディエント力の大きさは、絶縁部が蓄積する電荷量に比例する。そのため、水分が吸着した絶縁部は、トナーを引き付けるためのクーロン力およびグラディエント力が小さくなり、絶縁部が搬送し得るトナー量が低下すると考えられる。
そこで、本発明者らはさらなる検討を重ねた結果、特定の物性の電気絶縁性部を有する現像ローラが、ヒートサイクル試験を経ても、絶縁部が電荷を安定に蓄積し得ることを見出した。
すなわち、本開示の一態様に係る現像ローラは、導電性の軸芯体と、該軸芯体上の導電層とを有する現像ローラであって、該現像ローラの外表面は、電気絶縁性を有する第1の領域と、該第1の領域よりも高い導電性を有する第2の領域と、を含む。
該第1の領域と該第2の領域とは、互いに隣接して配置されており、該第1の領域は、該導電層の外表面上に配置されている。また、該第1の領域は、その外表面において測定されるビッカース硬度が10.0以上であり、その外表面において測定される圧子圧入法による破壊靱性値が800Pa・m0.5以上である。
以下、本態様に係る現像ローラについて詳細に説明する。
<現像ローラ>
本開示の一態様に係る現像ローラの長手方向(軸方向)に直交する方向で切断した際の模式的断面図を、図1(a)に示す。図1(a)に示す現像ローラ1は、導電性の軸芯体2、該軸芯体上の導電層3、及び、該導電層の外表面(軸芯体側の面とは反対側の面)上に電気絶縁性を有する第1の領域4を有し、領域4が現像ローラ1の外表面に凸部を生じさせている。現像ローラ1の外表面に露出している導電層の部分、すなわち、導電層の軸芯体2に面する側とは反対側の表面(以降、「外表面」ともいう)のうちの第1の領域で被覆されていない部分が、第1の領域4よりも高い導電性を有する第2の領域5である。
本開示の他の態様に係る現像ローラの長手方向に直交する方向で切断した際の模式的断面図を図1(b)に示す。図1(b)に示す現像ローラは、電気絶縁性を有する第1の領域4が、導電層3中に存在し、第1の領域4と第2の領域5とが現像ローラの外表面に露出している。本態様においては、第1の領域4は、現像ローラの外表面に凸部を生じさせていない。
電気絶縁性の第1の領域4、および該第1の領域よりも高い導電性を有する第2の領域5の存在は、現像ローラ1の外表面を帯電させた後、その残留電位分布を測定することによって確認することができる。該残留電位分布は、例えば、コロナ放電装置などの帯電装置を用いて現像ローラの外表面を十分に帯電させた後、帯電させた現像ローラの外表面の残留電位分布を静電気力顕微鏡(EFM)や表面電位顕微鏡(KFM)などを用いて測定することで確認することができる。
<軸芯体>
軸芯体は、導電性を有し、その上に設けられる導電層を支持する機能を有する。軸芯体の材質としては、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属;これらの金属を含むステンレス鋼、ジュラルミン、真鍮および青銅等の合金を挙げることができる。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。軸芯体の表面には、耐傷性付与を目的として、導電性を損なわない範囲で、メッキ処理を施すことができる。さらに、樹脂製の軸芯体の表面を金属で被覆して表面を導電性とした軸芯体や、導電性樹脂組成物から製造された軸芯体も使用可能である。
<導電層>
導電層は、軸芯体上に配され、1層構造または2層以上の積層構造とすることができる。特に非磁性一成分接触現像系プロセスでは、2層の導電層を有する現像ローラが好適に用いられる。なお、現像ローラが複数の導電層を有する場合は、特に明記しない限り、各導電層に関して以下に述べる内容を満たすことが好ましい。
導電層は、樹脂、及びゴム等の弾性材料を含有することができる。樹脂及びゴムとしては、具体的には、ポリウレタン樹脂、ポリアミド、尿素樹脂、ポリイミド、メラミン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、アルキッド樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル、エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム(EPDM)、アクリルニトリル−ブタジエンゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、シリコーンゴム、エピクロロヒドリンゴム、NBRの水素化物、ウレタンゴムなどが挙げられる。これらの樹脂及びゴムは、必要に応じて1種を単独で又は2種以上を組合せて用いることができる。
なお、樹脂及びゴムの材質は、現像ローラが有する導電層を、フーリエ変換赤外可視分光光度計を用いて測定することにより同定することができる。
上述した材質の中でも、導電層が積層構造を有する場合には、導電層のうち最も軸芯体側に配される層(下層)は、シリコーンゴムを含有することが好ましい。
シリコーンゴムとしては、例えば、ポリジメチルシロキサン、ポリメチルトリフルオロプロピルシロキサン、ポリメチルビニルシロキサン及びポリフェニルビニルシロキサン、並びに、これらのシロキサンの共重合体を挙げることができる。
また、導電層のうち最も外表面側に配される層(最外層)は、ポリウレタン樹脂を含有することが好ましい。ポリウレタン樹脂は、トナーへの摩擦帯電性能に優れ、且つ柔軟性に優れる為にトナーとの接触機会を得られやすく、且つ耐摩耗性有するので好ましい。
ポリウレタン樹脂としては、例えば、エーテル系ポリウレタン樹脂、エステル系ポリウレタン樹脂、アクリル系ポリウレタン樹脂、カーボネート系ポリウレタン樹脂が挙げられる。これらのポリウレタン樹脂は、公知のポリオールとイソシアネート化合物との反応により得ることができる。
ポリオールの具体的な例としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール等のポリエーテルポリオール、ポリエチレンサクシネートジオール、ポリブチレンサクシネートジオール、ポリエチレンアジペートジオール、ポリブチレンアジペートジオール等のポリエステルポリオール、ポリエチレンカーボネートジオール、ポリブチレンカーボネートジオール等のポリカーボネートポリオールが挙げられる。
これらのポリオール成分と反応させるイソシアネート成分としては、特に限定されるものではないが、例えば、エチレンジイソシアネート、1,6−ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)等の脂肪族ポリイソシアネート、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、シクロヘキサン1,3−ジイソシアネート、シクロヘキサン1,4−ジイソシアネート等の脂環式ポリイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート(TDI)、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート等の芳香族イソシアネート及びこれらの共重合物やイソシアヌレート体、TMPアダクト体、ビウレット体、そのブロック体を用いることができる。これらの中でもトリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネート等の芳香族イソシアネートがより好適に用いられる。
導電層は、導電剤を含有することが好ましい。導電剤としては、イオン導電剤や、カーボンブラックのような電子導電剤が挙げられるが、カーボンブラックが導電層の導電性と導電層のトナーに対する帯電性能とを制御することができるため好ましい。導電層の体積抵抗率は、通常、1.0×10Ω・cm以上、1.0×1011Ω・cm以下の範囲であることが好ましい。導電層の体積抵抗率は、後述する第1の領域の体積抵抗率と同様の方法を用いて測定することができる。
上記カーボンブラックとしては、具体的には、「ケッチェンブラック」(商品名、ライオン(株)製)、アセチレンブラックの如き導電性カーボンブラック;SAF、ISAF、HAF、FEF、GPF、SRF、FT、MT等のゴム用カーボンブラックを挙げることができる。その他、カーボンブラックとして、酸化処理を施したカラーインク用カーボンブラック、熱分解カーボンブラックを用いることができる。
カーボンブラックの添加量は、導電層中の樹脂及びゴムの合計100質量部に対し、5質量部以上、50質量部以下であることが好ましい。導電層中におけるカーボンブラックの含有量は、熱重量分析装置(TGA)を用いて測定することができる。
上記カーボンブラックの他、導電層に使用可能な導電剤としては、例えば、以下のものを挙げることができる。天然グラファイト、人造グラファイトの如きグラファイト;銅、ニッケル、鉄、アルミニウムの如き金属粉;酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫の如き金属酸化物粉;ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレンの如き導電性高分子。これらは必要に応じて、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらの導電剤の添加量は適宜設定することができる。
導電層には、その他、上記樹脂及びゴム、並びに導電剤の機能を阻害しない範囲で、荷電制御剤、潤滑剤、充填剤、酸化防止剤、老化防止剤等を含有させることができる。これらの添加剤の添加量は適宜設定することができる。
導電層の厚さ(積層構造の場合は合計厚さ)は、1μm以上、5mm以下であることが好ましい。導電層の厚さは、現像ローラの軸方向に垂直な方向で切断した際の切断面を、光学顕微鏡で観察し、測定することにより求めることができる。
現像ローラとして表面粗度が必要な場合は、導電層中に粗さ制御用粒子を含有させることができる。この際、粗さ制御用粒子の体積平均粒径は、3μm以上、20μm以下であることが好ましい。また、導電層中に含有される該粒子の量は、導電層中の樹脂及びゴムの合計100質量部に対し、1質量部以上、50質量部以下であることが好ましい。導電層中の該粒子の含有量は、例えば熱重量分析などの分析手法を用いて測定することができる。
粗さ制御用粒子としては、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の微粒子を用いることができる。
<第1の領域>
現像ローラの表面(外表面)の一部の領域には、電気的に絶縁性(電気絶縁性)を有する第1の領域が存在する。
当該第1の領域は、導電層(現像ローラが複数の導電層を有する場合は最外層となる導電層)の外表面上に配置され、電気絶縁性部(以降、絶縁性部と称することがある)として機能する。また、第1の領域は、後述する第2の領域と、互いに隣接して配置されている。なお、第1の領域は、現像ローラの外表面の一部に存在(露出)していればよく、現像ローラの外表面に絶縁性部が複数個に分かれて存在していてもよいし、複数個の絶縁性部が繋がって(例えば、一連の絶縁性部として)存在していてもよい。しかしながら、トナーを均一に搬送するという観点から、複数個の(例えばドット形状の)第1の領域が、導電層の外表面上に等間隔で配されることが好ましい。なお、現像ローラの外表面積のうち、第1の領域が占める面積割合は、現像ローラに適切なグラディエント力を付与するという観点から、10%以上60%以下であることが好ましい。この第1の領域の面積割合は、例えばビデオマイクロスコープ(商品名:DIGITAL MICROSCOPE VHX−500、株式会社キーエンス社製)を用いて測定することができる。
また、第1の領域の体積抵抗率は、1.0×1013Ω・cm以上、1.0×1018Ω・cm以下であることが好ましい。体積抵抗率をこの範囲内とすることによって、当該第1の領域を帯電させやすくすることができる。この第1の領域の体積抵抗率は、後述する方法により測定することができる。
[第1の領域のビッカース硬度と破壊靱性値]
第1の領域は、その外表面、即ち、現像ローラの外表面に存在する第1の領域の外表面部分において測定されるビッカース硬度が10.0以上、破壊靭性値が800Pa・m0.5以上である。
ビッカース硬度を10.0以上とすることにより、絶縁性部が十分な耐摩耗性を有するため、長期の使用においても摩耗による絶縁性部の体積減少を抑制することが可能となる。また、絶縁性部の外表面において測定される圧子圧入法による破壊靱性値を800Pa・m0.5以上とすることにより、絶縁性部が十分な耐クラック性を有するため、長期の使用においても微細クラック発生を抑制することが可能となる。このように、絶縁性部を十分な耐摩耗性と耐クラック性を兼ね備えた構成とすることによって、高温高湿を含む環境下における長期の使用によっても電荷を安定に蓄積することができる。
上記ビッカース硬度は、好ましくは15.0以上であり、より好ましくは20.0以上である。上記破壊靭性値は、好ましくは1000Pa・m0.5以上であり、より好ましくは1200Pa・m0.5以上である。
電気絶縁性部として機能する第1の領域のビッカース硬度、および破壊靭性値の測定は、日本産業規格(JIS)R1607:2015(ファインセラミックスの室温破壊じん性試験方法)に記載のIF法の測定手順に従って以下のように行うことができる。
具体的に、測定装置として、微小硬さ試験機(商品名:フィッシャースコープ PICODENTOR HM500、フィッシャー・インストルメンツ社製)を使用し、測定圧子として、ビッカース圧子を用いる。現像ローラを水平に設置し、現像ローラの外表面であって電気絶縁性部で被覆された外表面を顕微鏡で観察する。次いで、任意の位置の電気絶縁性部上に圧子が当接するように位置を調整し、試験荷重0.1mN、試験荷重保持時間15秒間で電気絶縁性部に圧子を当接させる。当接後に、電気絶縁性部の当接面を光学顕微鏡を用いて観察し、圧子痕の2つの対角線長さを測定し、その平均値を算出する。また、圧子痕の2つの対角線の延長線上に伸びた亀裂の長さを測定し、その平均値を算出する。
得られた圧子痕の対角線長さの平均値、および試験荷重から、以下の式によりビッカース硬度を算出する。
ビッカース硬度=0.1891×F/d
F:試験荷重[N];
d:圧子痕の対角線長さの平均値[mm]。
また、得られた圧子痕の対角線長さの平均値、および試験荷重から、以下の式により破壊靭性値を算出する。
破壊靭性値[Pa・m0.5]=0.026×E0.5×F0.5×a/C1.5E:電気絶縁性部の弾性率[Pa]
F:試験荷重[N];
a:圧子痕の対角線長さの平均値[m];
C:亀裂の長さの平均値[m]。
[第1の領域を構成する材料]
第1の領域を構成する材料としては、樹脂が好ましい。樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などが挙げられる。中でも、下記構造式(1)で示される構造を有するアクリル樹脂は、第1の領域のビッカース硬度、および破壊靭性値を前記の範囲内に調整し易いため、好ましい。 なお、第1の領域を構成する材料の化学構造は、固体H−NMR分析により特定することができる。構造式(1)
[A]−R
(構造式(1)中、Aは、下記構造式(2)で示される構造を示し、nは、2以上の整数を表し、Rは、n個のAを連結する連結基を示す。)。
(構造式(2)中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、記号「*」は連結基Rとの結合部位を表す。)。
アクリル樹脂としては、具体的には、種々の(メタ)アクリレート化合物(メタクリレート化合物及びアクリレート化合物の少なくとも一方)を光重合などの手段によって重合させた重合体が挙げられる。上記構造式(1)における連結基Rの構造は、重合させる(メタ)アクリレート化合物や併用する架橋剤が有する構造によって決定される。アクリル樹脂を構成する(メタ)アクリレート化合物は、1分子中に複数の(メタ)アクリロイル基を有することが、高い耐摩耗性と耐クラック性を発現する上で好ましい。
なお、構造式(1)中のnは、2以上の整数であればよく、適宜設定することができるが、特に3以上9以下であることが耐摩耗性と耐クラック性の両立を両立するうえで好ましい。
上記構造式(1)を満たすアクリル樹脂に用いられる(メタ)アクリレート化合物の具体的な例としては、例えばポリエーテル(メタ)アクリレート、ポリエステル(メタ)アクリレート、エポキシ(メタ)アクリレート、ウレタン(メタ)アクリレート、あるいはこれらの混合物などが挙げられる。これらの(メタ)アクリレート化合物の中でも、ウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体は、連結基Rがウレタン結合を有する構造であり、高いレベルでの耐摩耗性と耐クラック性の両立を可能とする。
ウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体が高いレベルでの耐摩耗性と耐クラック性の両立を可能とする理由としては、以下のように考えられる。すなわち、ウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体は、もともとのウレタン(メタ)アクリレート化合物に由来するウレタン骨格と、(メタ)アクリロイル基同士の重合によって生成する炭化水素骨格とを有する。(メタ)アクリロイル基同士の重合によって生成する炭化水素骨格は強固な架橋構造を有し、分子鎖の切断が起こりにくい。そのため、重合体が耐摩耗性の特質を得ることができると考えられる。また、ウレタン骨格は、その骨格中にウレタン結合同士の水素結合を有しており、この水素結合は重合体の変形に応じて切断と再結合を繰り返すことが可能である。この性質により、重合体が可とう性を発現するため、外力を受けてもクラックが発生しにくくなると考えられる。
さらに、耐クラック性の観点から、ウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体の中でも、上記連結基Rが、下記構造式(3)で示される構造を有するものがより好ましい。言い換えると、隣り合うウレタン結合の間に、下記構造式(3)で示される、炭素数6以上のアルキレン基(該アルキレン基は環状構造を有していても良い)を有するウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体が、優れた耐クラック性を有するためより好ましい。
(構造式(3)中、Rは、炭素数6以上のアルキレン基であり、該アルキレン基は環状構造を有していても良い。)
このような構造の2官能以上のウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体が優れた耐クラック性を有する理由として、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、ウレタン結合同士が炭素数6以上の距離をとることにより、ウレタン骨格は比較的広い可動域を有することになる。また、ウレタン結合間の分子鎖がアルキレン基である場合、芳香環のような剛直な構造を有さないため、ウレタン骨格は柔軟な構造になる。このように、ウレタン骨格が比較的広い可動域を有し、かつ柔軟な分子鎖を持つ場合、樹脂構造中でウレタン骨格の分子鎖が自由に動き得る。そのため、重合体が外力を受けて変形した場合、その変形に応じた水素結合の切断と再結合がより容易に起こり得るものと考えられる。このような特性により、隣り合うウレタン結合の間に炭素数6以上のアルキレン基を有するウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体が、より優れた耐クラック性を発現するものと推測される。
さらには、前記構造式(3)中のRが、下記構造式(4)で表される構造であるウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体が、特に優れた耐クラック性を有する。
構造式(4)中、n1およびn2はそれぞれ独立に0以上の整数であり、n3は0または1であり、n3が0のとき、6≦n1+n2≦10であり、n3が1のとき、0≦n1+n2≦4であり、Rは、置換基を有していても良い環状アルキレン基である。
このような構造のウレタン(メタ)アクリレート化合物を含む重合体が、特に優れた耐クラック性を有する理由について、本発明者らは以下のように推測している。
前述したように、ウレタン結合同士が炭素数6以上の距離をとることにより、ウレタン骨格は比較的広い可動域を有するようになり、これが優れた耐クラック性を発現する要因の一つと考えられる。しかしながら、ウレタン結合同士の距離が著しく離れてしまうと、ウレタン骨格中の水素結合の密度が低下するため、優れた耐クラック性が発現されにくくなると考えられる。そのため、特に優れた耐クラック性を発現するためには、ウレタン結合同士の距離を適切な範囲にする必要がある。
構造式(3)において、Rが環状構造を含まない直鎖アルキレン基であるとき、例えば、構造式(4)中のn3が0のとき、Rの炭素数を6〜10とすること、例えば、構造式(4)中のn1+n2を6〜10とすることにより、ウレタン結合同士の距離を適切な範囲と容易にすることができる。
一方で、Rが環状構造を含むアルキレン基であるとき、すなわち、構造式(4)中のn3が1であるとき、Rの直鎖構造部分の炭素数を0〜4とすること、すなわち、構造式(4)中のn1+n2を、0〜4とすることにより、ウレタン結合同士の距離を適切な範囲と容易にすることができる。
なお、構造式(4)中、Rとして示した環状アルキレン基の例としては、以下を挙げることができる。
シクロヘキシレン基、シクロヘプチレン基、シクロオクチレン基。
また、当該環状アルキレン基が有することのできる置換基の例としては、メチル基、エチル基及びプロピル基を挙げることができる。
なお、環状アルキレン基は、これらの置換基を1つ又は複数有することができる。当該置換基の炭素数は、構造式(3)中、Rの炭素数に含める。また、Rの構造としては、ウレタン結合を形成するための原料イソシアネート化合物に由来する。
原料イソシアネート化合物としては、例えばイソホロンジイソシアネートやジシクロヘキシルメタンジイソシアネートなどの脂環式ジイソシアネートや、ヘキサメチレンジイソシアネートなどの脂肪族直鎖ジイソシアネート等が挙げられる。
<第2の領域>
現像ローラの外表面の一部の領域には、前記第1の領域と互いに隣接し、前記第1の領域よりも高い導電性を有する導電性部として機能する第2の領域が存在する。図1(a)及び図1(b)に示した態様においては、現像ローラの外表面を構成している導電層の一部が、第2の領域に該当する。
なお、第2の領域は、現像ローラの外表面の一部に存在(露出)していればよく、現像ローラの外表面に導電性部が複数個に分かれて存在していてもよいし、複数個の導電性部が繋がって(例えば、一連の導電性部として)存在していてもよい。しかしながら、トナーを均一に搬送するという観点から、現像ローラの外表面に等間隔で配置された(例えばドット形状の)複数個の第1の領域を取り囲むように、現像ローラの外表面に(1連の)第2の領域が配置されることが好ましい。
なお、現像ローラの外表面積のうち、第2の領域が占める面積割合は、現像ローラに適切なグラディエント力を付与するという観点から、40%以上90%以下が好ましい。この第2の領域の面積割合は、例えばビデオマイクロスコープ(商品名:DIGITAL MICROSCOPE VHX−500、株式会社キーエンス社製)を用いて測定することができる。
<第1の領域、および第2の領域の形成方法>
現像ローラにおいて、第1の領域となる電気絶縁性部、および前記第1の領域よりも高い導電性を有する第2の領域となる導電性部を形成する方法として、例えば下記方法i)及び方法ii)が挙げられる。
方法i)導電層上に電気絶縁性材料と導電性材料の混合物をディッピング塗布し適切な条件で相分離させる方法;導電層を構成する材料中に予め電気絶縁性粒子を配合し、導電層形成後に形成した導電層の表面を研磨して電気絶縁性粒子を露出させる方法;
方法ii)インクジェット法により電気絶縁性材料を導電層上にパターン印刷する方法。
中でも、方法ii)は、電気絶縁性部を目的の形状に容易にパターン印刷できることから好ましい。
本態様の現像ローラは、磁性一成分現像剤や非磁性一成分現像剤を用いた非接触型現像装置及び接触型現像装置や、二成分現像剤を用いた現像装置など、いずれにも適用することができる。
<プロセスカートリッジ>
本態様に係るプロセスカートリッジは、少なくとも現像手段を具備し、該現像手段が、本態様に係る現像ローラを有することを特徴とする。図2は、本開示の一態様に係るプロセスカートリッジの一例の概略断面図である。
図2に示したプロセスカートリッジ100は、電子写真装置の本体に着脱自在に構成されている。プロセスカートリッジ100は、電子写真感光体101に対向する部分に開口部を有する現像室102を備えており、この現像室102の背面には、トナー103を収容するトナー容器104が配される。トナー容器104には必要に応じて、トナー103を現像室102に搬送するための搬送部材107が配置される。現像室102と前記トナー容器104とを連通する開口部は、シール部材105で仕切られ、このシール部材105は、プロセスカートリッジ100の使用開始時に除去される。また、現像室102には現像ローラ106、トナー供給ローラ108、現像ブレード109、トナー吹き出し防止シート110が設けられている。
トナー103はトナー供給ローラ108によって現像ローラ106に塗布される。現像ローラ106は図中矢印で示す方向に回転され、この現像ローラ106に担持されているトナー103は、現像ブレード109により所定の層厚に規制された後、電子写真感光体101と対向する現像領域に送られる。
プロセスカートリッジ100は、上記構成に加えて、帯電ローラ111、クリーニングブレード112、廃トナー容器119を備えている。
<電子写真画像形成装置>
本態様に係る電子写真画像形成装置(電子写真装置)は、現像手段を具備し、該現像手段が、本態様に係る現像ローラを有することを特徴とする。図3は、本開示の一態様に係る電子写真装置の一例の概略断面図である。この電子写真装置は、図2に示したプロセスカートリッジ100を装着して使用することができる。
以下、電子写真装置のプリント動作を説明する。電子写真感光体101は、バイアス電源(不図示)に接続された帯電ローラ111によって一様に帯電される。次に、電子写真感光体101は、静電潜像を書き込むための露光光113により、その表面に静電潜像が形成される。露光光113としては、LED光、レーザー光のいずれも使用することができる。
次に、電子写真装置本体に対し着脱可能に構成されているプロセスカートリッジ100に内蔵された現像ローラ106によって負極性に帯電したトナーが静電潜像に付与(現像)される。次に電子写真感光体101上にトナー像が形成され、静電潜像が可視像に変換される。このとき、現像ローラ106にはバイアス電源(不図示)によって電圧が印加される。
電子写真感光体101上で現像されたトナー像は、中間転写ベルト114に1次転写される。中間転写ベルト114の裏面には1次転写部材115が当接しており、1次転写部材115に電圧を印加することで、負極性のトナー像を電子写真感光体101から中間転写ベルト114に1次転写する。1次転写部材115はローラ形状であってもブレード形状であってもよい。
図3に示す電子写真装置では、イエロー色、シアン色、マゼンタ色、ブラック色の各色のトナーを内蔵したプロセスカートリッジ100が各1個、合計4個、電子写真装置本体に対して着脱可能な状態で装着されている。そして、上記の帯電、露光、現像、1次転写の各工程は、所定の時間差をもって順次実行され、中間転写ベルト114上に、フルカラー画像を表現するための4色のトナー像を重ね合わせた状態が作り出される。
中間転写ベルト114上のトナー像は、中間転写ベルト114の回転に伴って、2次転写部材116と対向する位置に搬送される。このとき、中間転写ベルト114と2次転写部材116との間には、所定のタイミングで記録用紙の搬送ルート117に沿って転写材である記録用紙が搬送されてきている。そして、2次転写部材116に2次転写バイアスを印加することにより、中間転写ベルト114上のトナー像を記録用紙に転写する。2次転写部材116によってトナー像が転写された記録用紙は、定着装置118に搬送され、記録用紙上のトナー像を溶融させて記録用紙上に定着させた後、記録用紙を電子写真装置の外に排出することで、プリント動作が終了する。なお、電子写真感光体101から中間転写ベルト114に転写されることなく電子写真感光体101上に残存したトナー像は、クリーニングブレード112により掻き取られ、廃トナー収容容器119に収納される。
以下に、本開示の一態様に係る現像ローラの具体的な実施例及び比較例を示すが、本開示は、実施例に具現化された構成に限定されるものではない。
<電気絶縁性部形成に使用するアクリレート化合物>
まず、始めに、以下のアクリレート化合物A−1〜A−5を用意した。
(アクリレート化合物A−1)
アクリレート化合物A−1として、ウレタンアクリレート化合物「CN9039」(商品名、サートマー社製)を使用した。「CN9039」は、構造式(6)で示される構造を有する化合物である。
(アクリレート化合物A−2)
アクリレート化合物A−2としては、ウレタンアクリレート化合物「CN9013」(商品名、サートマー社製)を使用した。「CN9013」は、構造式(7)で示される構造を有する化合物である。
(アクリレート化合物A−3)
窒素雰囲気下、反応容器中で1,3−ビス(イソシアナトメチル)シクロヘキサン(商品名:タケネート600、三井化学社製)100質量部に対し、ペンタエリトリトールテトラアクリレート(東京化成工業社製)115質量部を反応容器内の温度を65℃に保持しつつ、徐々に滴下した。滴下終了後、温度65℃で1.5時間反応させ、得られた反応混合物を室温まで冷却し、ウレタンアクリレート化合物A−3を得た。ウレタンアクリレート化合物A−3は、構造式(8)で示される構造を有する化合物である。
(アクリレート化合物A−4)
窒素雰囲気下、反応容器中でジシクロヘキシルメタン4,4’−ジイソシアネート(東京化成工業社製)100質量部に対し、ペンタエリトリトールテトラアクリレート(東京化成工業社製)150質量部を反応容器内の温度を65℃に保持しつつ、徐々に滴下した。滴下終了後、温度65℃で1.5時間反応させ、得られた反応混合物を室温まで冷却し、ウレタンアクリレート化合物A−4を得た。ウレタンアクリレート化合物A−4は、構造式(9)で示される構造を有する化合物である。
(アクリレート化合物A−5)
窒素雰囲気下、反応容器中でm−キシリレンジイソシアネート(東京化成工業社製)100質量部に対し、ペンタエリトリトールテトラアクリレート(東京化成工業社製)120質量部を反応容器内の温度を65℃に保持しつつ、徐々に滴下した。滴下終了後、温度65℃で1.5時間反応させ、得られた反応混合物を室温まで冷却し、ウレタンアクリレート化合物A−5を得た。ウレタンアクリレート化合物A−5は、構造式(10)で示される構造を有する化合物である。
<実施例1>
(第1導電層の形成)
導電性の軸芯体として、ステンレス鋼:SUS304製の直径6mmの芯金にプライマー(商品名「DY39−012」;東レ・ダウコーニング社製)を厚み10μmに塗布し、150℃の熱風加硫炉中に15分間投入し、焼付けしたものを用意した。この軸芯体を金型内に配置し、以下の表1に示す材料を混合した付加型シリコーンゴム組成物を金型内に形成されたキャビティに注入した。
続いて、金型を加熱して付加型シリコーンゴム組成物を温度130℃で5分間加硫して硬化させ、金型から脱型した。その後、さらに温度180℃で1時間加熱して、シリコーンゴム層の硬化反応を完了させることにより、軸心体の外周に厚さ3mmの第1導電層を有する導電性ローラ1を製造した。
(第2導電層の形成)
次に、以下の表2に示す材料を混合し、総固形分比が30質量%となるようにメチルエチルケトンを加えた後、サンドミルにて混合した。ついで、メチルエチルケトンで粘度10〜12cps(mPa・s)に調整して塗工液を調製した。
この塗工液を、ディッピング法で前記の導電性ローラ1に、膜厚10μmとなるように塗工した。ディッピング法では、導電性ローラ1の長手方向を鉛直方向にして、軸芯体の上端部を把持して塗工液中に浸漬した。得られた塗工物を、室温(23℃)にて30分間乾燥後、温度150℃のオーブン中で2時間、硬化反応させて、第1導電層の外周面に第2導電層を有する導電性ローラ2を製造した。
(電気絶縁性部形成用液体の調製)
以下の表3に示す材料を混合し、第1の領域を形成するための電気絶縁性部形成用液体を調製した。
(電気絶縁性部の形成)
軸芯体を回転数500rpmで回転させながら、前記電気絶縁性部形成用液体を、圧電式のインクジェットヘッドを用いて、前記導電性ローラ2上に吐出させた。該インクジェットヘッドからの液滴量は、15plになるように調整した。
吐出は、前記導電性ローラ2上に付着した前記液体のドットの、周方向および軸芯体方向各々のピッチ(中心間距離)が、100μmとなるように行った。次いで、メタルハライドランプを用いて、波長254nmの紫外線を、積算光量が1500mJ/cmとなるように、前記液体の各ドットに対して5分間照射して、第2導電層の外表面上に電気絶縁性部として機能する第1の領域を形成した。こうして、第1の領域が形成された現像ローラ1を製造した。
(第1の領域および第2の領域の確認)
現像ローラ1の外表面に、第1の領域および第2の領域が存在することは、以下のように確認した。
<現像ローラ外表面の観察>
現像ローラ1の外表面を、光学顕微鏡(商品名:VHX5000(製品名)、株式会社キーエンス社製)を用いて、拡大倍率1000倍で観察した。ローラ表面には、インクジェット塗布によって形成されたドット形状の第1の領域と、導電層が表面に露出した第2の領域が確認された。なお、現像ローラの外表面積のうち、第1の領域及び第2の領域が占める面積割合は、それぞれ30%及び70%であった。
<第1の領域の抵抗測定>
現像ローラ1の任意の位置から第1の領域を含むサンプルを切りだし、ミクロトームで平面サイズ50μm四方、厚みtが100nmの薄片サンプルを作製した。次に、この薄片サンプルを金属平板上に設置し、上方から、押しつけ面の面積Sが100μmの金属端子で薄片サンプルを押し当てた。この状態で、金属端子と金属平板間にエレクトロメーター6517B(商品名、KEITHLEY社製)を用いて1Vの電圧を印加することにより抵抗Rを求めた。この抵抗Rから、体積抵抗率pv(Ω・cm)を下記式で算出した。
pv=R×S/t
得られた体積抵抗率は1.8×1014Ω・cmであった。
<第2の領域の抵抗測定>
現像ローラ1の任意の位置から第2の領域を含むサンプルを切りだし、ミクロトームで平面サイズ50μm四方、厚みtが100nmの薄片サンプルを作製した。次に、この薄片サンプルを金属平板上に設置し、上方から、押しつけ面の面積Sが100μmの金属端子で薄片サンプルを押し当てた。この状態で、金属端子と金属平板間にエレクトロメーター6517B(商品名、KEITHLEY社製)を用いて1Vの電圧を印加することにより抵抗Rを求めた。この抵抗Rから、体積抵抗率pv(Ω・cm)を下記式で算出した。
pv=R×S/t
得られた体積抵抗率は6.7×10Ω・cmであった。
<第1の領域のNMR測定>
第1の領域の化学構造を確認するため、マイクロマニピュレーター(商品名:アクシスプロ、マイクロサポート社製)を用いて、現像ローラ上の任意の位置における第1の領域を採取した。採取したサンプルを、冷凍粉砕機「JFC−300」(商品名、日本分析工業社製)を用いて、液体窒素冷却下で10分間粉砕し、微粉末状の試料を得た。この試料を固体H−NMR分析して、得られたスペクトルから化学構造を同定し、下記の構造式(5)で示される構造、および構造式(6)で示される構造が存在することを確認した。
(ビッカース硬度、および破壊靭性値の測定)
電気絶縁性部として機能する第1の領域のビッカース硬度、および破壊靭性値の測定は、日本産業規格(JIS)R1607:2015(ファインセラミックスの室温破壊じん性試験方法)に記載のIF法の測定手順に従って、以下のように行った。
測定装置としては、微小硬さ試験機(商品名:フィッシャースコープ PICODENTOR HM500、フィッシャー・インストルメンツ社製)を使用し、測定圧子としてビッカース圧子を用いた。
現像ローラを水平に設置し、現像ローラの表面であって電気絶縁性部で被覆された表面を顕微鏡で観察した。任意の位置の電気絶縁性部上に圧子が当接するように位置を調整し、試験荷重0.1mN、試験荷重保持時間15秒間で電気絶縁性部に圧子を当接させた。当接後に、電気絶縁性部の当接面を、光学顕微鏡を用いて観察し、圧子痕の2つの対角線長さを測定し、その平均値を算出した。また、圧子痕の2つの対角線の延長線上に伸びた亀裂の長さを測定し、その平均値を算出した。
得られた圧子痕の対角線長さの平均値、および試験荷重から、以下の式によりビッカース硬度を算出した。
ビッカース硬度=0.1891×F/d
F:試験荷重[N];
d:圧子痕の対角線長さの平均値[mm]。
また、得られた圧子痕の対角線長さの平均値、および試験荷重から、以下の式により破壊靭性値を算出した。
破壊靭性値[Pa・m0.5]=0.026×E0.5×F0.5×a/C1.5E:電気絶縁性部の弾性率[Pa]
F:試験荷重[N];
a:圧子痕の対角線長さの平均値[m];
C:亀裂の長さの平均値[m]。
(テーバー摩耗量の測定)
バーコーターを用いて、前記電気絶縁性部形成用液体を厚さ0.2mmのアルミニウム製のシート上に塗布し、厚さ42μmのシートを作製した。このシートについて、テーバー摩耗試験機(商品名:ロータリーアブレージョンテスタ;東洋精機製作所社製)を用いて、荷重9.8N、回転数60rpm、試験回数2000回の条件で、テーバー摩耗量(mg)の測定を行った。結果を表6に示す。
(画像の評価)
作製した現像ローラを、環境I(温度40℃、95%RH)の下に12時間放置した。続いて、この現像ローラを環境II(温度15℃、10%RH)の下に12時間放置した。環境Iの下に12時間放置と、環境IIの下に12時間の放置を1サイクルとして、計5サイクル繰り返した。この現像ローラを用いて、以下のような電子写真画像形成の評価を行った。
現像剤供給ローラの低トルク化を目的として、プロセスカートリッジ(商品名:HP 410X High Yield Magenta Original LaserJet Toner Cartridge (CF413X)、HP社製)から、トナー供給ローラのギアを取り外した。該ギアを取り外すことで、トナー供給ローラは現像ローラに対して低トルクとなり、現像ローラからのトナーの掻き取り量が減少する。次に、該プロセスカートリッジに、作製した現像ローラ1を組み込み、該プロセスカートリッジを、レーザービームプリンター(商品名:Color Laser Jet Pro M452dw、HP社製、ISO216におけるAシリーズフォーマットのサイズ4の紙出力機)に装填した。このレーザービームプリンターを、温度30℃、相対湿度80%の環境下に24時間放置した。
次に、同環境下で全面ベタ画像を1枚出力後、以下の工程を30回繰り返した。
印字率0.5%の画像を1000枚出力。
全面ベタ画像を1枚出力。
その後、得た全31枚の全面ベタ画像の画像濃度を分光濃度計:X−Rite504(商品名、エス・ディ・ジー社)を用いて測定した。なお、画像濃度は全面ベタ画像1枚につき、任意の箇所を15点測定したときの平均値とした。出力枚数による画像濃度を比較し、表4に記載の評価基準に基づいて評価を行った。その結果を表6に示す。以降、最初に出力したベタ画像の画像濃度を「初期の画像濃度」、X回目の工程で出力したベタ画像の画像濃度を「X枚目の画像濃度」と称する。
<実施例2〜5及び比較例1〜3>
電気絶縁性部形成用液体に使用する材料を、以下の表5に変更した以外は実施例1と同様にして、現像ローラ2〜8を作製した。得られた現像ローラ2〜8に対して、実施例1と同様の評価を行った。結果を表6に示す。
表6に示すように、実施例1〜5に係る現像ローラを用いることで、高温高湿を含む環境下で長期間使用した場合においても、電子写真画像の画像濃度を均一に保つことが可能であることがわかった。特に、構造式(4)で表される構造を有するウレタンアクリレートを電気絶縁性部に使用した実施例1〜3は、より高いレベルで画像濃度を均一に保つことができた。一方で、ビッカース硬度が10.0未満である比較例1や、破壊靭性値が800Pa・m0.5未満である比較例2および3は、画像の濃度変化が大きい結果となった。
1 現像ローラ
2 軸芯体
3 導電層
4 第1の領域
5 第2の領域
100 プロセスカートリッジ

Claims (7)

  1. 導電性の軸芯体と、該軸芯体上の導電層とを有する現像ローラであって、
    該現像ローラの外表面は、少なくとも、第1の領域と、該第1の領域よりも高い導電性を有する第2の領域と、で構成され、
    該第1の領域と該第2の領域とは、互いに隣接して配置されており、
    該第1の領域は、該導電層の外表面上に配置され、
    該第1の領域は、その外表面において測定されるビッカース硬度が10.0以上であり、かつ、その外表面において測定される圧子圧入法による破壊靱性値が800Pa・m0.5以上であることを特徴とする現像ローラ。
  2. 前記第1の領域が、下記構造式(1)で示される構造を有する樹脂を含む、請求項1に記載の現像ローラ:
    構造式(1)
    [A]−R
    (構造式(1)中、Aは、下記構造式(2)で示される構造を示し、nは、2以上の整数を表し、Rは、n個のAを連結する連結基を示す。);
    (構造式(2)中、Rは、水素原子またはメチル基を表し、記号「*」は連結基Rとの結合部位を表す。)。
  3. 前記連結基Rが、ウレタン結合を有する、請求項2に記載の現像ローラ。
  4. 前記連結基Rが、下記構造式(3)で示される構造を有する、請求項3に記載の現像ローラ:
    (構造式(3)中、Rは、炭素数6以上のアルキレン基であり、該アルキレン基は環状構造を有していても良い。)。
  5. 前記構造式(3)中のRが、下記構造式(4)で表される構造である、請求項4に記載の現像ローラ:
    (構造式(4)中、n1およびn2はそれぞれ独立に0以上の整数であり、n3は0または1であり、n3が0のとき、6≦n1+n2≦10であり、n3が1のとき、0≦n1+n2≦4であり、Rは、置換基を有していても良い環状アルキレン基である。)。
  6. 電子写真画像形成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、
    少なくとも現像手段を具備し、該現像手段が、請求項1〜5のいずれか1項に記載の現像ローラを有することを特徴とするプロセスカートリッジ。
  7. 現像手段を具備する電子写真画像形成装置であって、
    該現像手段が請求項1〜5のいずれか1項に記載の現像ローラを有することを特徴とする電子写真画像形成装置。
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