帯電部材および電子写真画像形成装置
【課題】高い電荷注入効率を示す帯電部材の提供。
【解決手段】帯電部材は、導電性の基体と、一方の端が該基体に結合されている導電性の繊維とを有し、該繊維は、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含み、かつ、先端部において、該カーボンナノチューブが露出している。前記カーボンナノチューブが、長さが５μｍ以下、アスペクト比が４００以下である帯電部材。前記繊維が、基材として樹脂を含む帯電部材。繊維は、その根本側においては、絡み合っているカーボンナノチューブと基材としての樹脂を含む芯と、該芯を被覆している、樹脂を含む鞘と、からなる芯鞘構造を有し、その先端部においては、該鞘を有しておらず、該芯に含まれている該カーボンナノチューブが表面に露出している帯電部材。
【解決手段】帯電部材は、導電性の基体と、一方の端が該基体に結合されている導電性の繊維とを有し、該繊維は、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含み、かつ、先端部において、該カーボンナノチューブが露出している。前記カーボンナノチューブが、長さが５μｍ以下、アスペクト比が４００以下である帯電部材。前記繊維が、基材として樹脂を含む帯電部材。繊維は、その根本側においては、絡み合っているカーボンナノチューブと基材としての樹脂を含む芯と、該芯を被覆している、樹脂を含む鞘と、からなる芯鞘構造を有し、その先端部においては、該鞘を有しておらず、該芯に含まれている該カーボンナノチューブが表面に露出している帯電部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯電部材および電子写真画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
接触帯電の帯電機構（帯電メカニズム、帯電原理）には、（１）放電帯電機構と（２）直接注入帯電機構の２種類の帯電機構が混在しており、どちらが支配的であるかにより各々の特徴が現れる。
【０００３】
直接注入帯電機構は、接触帯電部材から被帯電体へ電荷が直接注入されることで、被帯電体表面を帯電するものである。接触帯電部材としての帯電ブラシを使用した帯電装置は、機構的に簡易であり、コスト的にも帯電ローラを使用したローラ帯電方式より有利なため実用化されつつある。
【０００４】
しかしながら、接触注入帯電を行う帯電方法では、注入効率などの点で未だ十分な特性が得難い。
【０００５】
帯電ブラシによる帯電では、感光体表面に帯電ブラシのブラシ毛を均一に接触させる必要がある。そのため、ブラシ毛を構成する繊維としては、例えばナイロン−６、ナイロン−６６、ナイロン−１２、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、やポリプロピレンなどの基材樹脂中にカーボン等の導電性フィラーを分散させた導電性繊維が使用されている。
【０００６】
前記導電性繊維は、基材樹脂と導電性フィラーとを所望の割合で含む樹脂コンパウンドペレットを、例えばエクストルーダー中で混練、溶融し、次いで、溶融物を紡糸口金より押し出し、冷却、延伸を行うことにより製造される。
【０００７】
ところが、上記の方法で製造される導電性繊維の表面のほとんどは電気的に絶縁性の基材樹脂で構成されている。そのため、このような導電性繊維から構成されたブラシ毛を有する帯電ブラシを用いて感光体を帯電させようとした場合、該帯電ブラシから感光体への電荷の注入は、導電性繊維の表面に露出した導電性フィラーが感光体に直接接触したときにのみ行われる。そのため、帯電効率が悪いという課題があった。
【０００８】
そこで、特許文献１には、被帯電体表面を帯電する帯電部材において、導電性樹脂成形物を機会研磨および／または裁断することにより、カーボンナノチューブの長手方向の一部を導電性樹脂成形物外に突出させて、電荷注入の速度を向上させることが記載されている。
【０００９】
また、特許文献２には、画像形成装置用帯電部材において、基材樹脂中に分散された導電性フィラーとしてのカーボンナンナノチューブを繊維の長さ方向にほぼ揃った導電性繊維を使用することにより、導電性繊維の電気抵抗値のばらつきが小さくなることが記載されている。
【００１０】
また、特許文献３には、ポリエステル樹脂中にカーボンナノファイバーを分散させた導電性繊維において、導電性繊維表面のスキン層を除去するために、アルカリ水溶液中に浸漬して、繊維表面の樹脂部分を溶解するエッチング処理により、導電性繊維表面の接触抵抗を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４０８９１２２号公報
【特許文献２】特開２００７−３４１９６号公報
【特許文献３】特開２００８−１３８３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、画像形成装置に望まれる高速化や高画質化の注入帯電条件では、後述する理由により、感光体表面に十分な帯電電圧を与えることが期待できない。
【００１３】
上記特許文献１に記載されている帯電部材は、カーボンナノチューブの全部または一部が帯電部材表面から突出しているため、感光体に対して注入帯電が行われる際、感光体に直接接触しているカーボンナノチューブの先端部からしか電荷注入が行われない。そのため、高効率な電荷注入が期待できない。
【００１４】
上記特許文献２に記載されている導電性繊維は、基材樹脂中に分散されたカーボンナノチューブの向きが、基材樹脂の内部において糸の長さ方向にほぼ揃っている。そのため、感光体に対して注入帯電が行われる際、導電性繊維表面に存在する電気的に高抵抗のスキン層が感光体に接触することになる。そのため、導電性繊維側面からの電荷注入はほとんど行われず、高効率な電荷注入が期待できない。
【００１５】
特許文献３に記載されている導電性繊維は、化学エッチング処理により繊維表面のスキン層が除去される。しかし、導電性フィラーであるカーボンナノファイバーが溶融紡糸によりポリエステル樹脂の内部において糸の長さ方向に揃うため、感光体に対して注入帯電が行われる際、導電性繊維側面で表面に存在するカーボンナノファイバー部分しか感光体表面に電荷注入が行われず、高効率な電荷注入が期待できない。さらに、化学エッチング処理については、基材樹脂は実質ポリエステルのみが可能であり、その他の樹脂について適用は困難である。
【００１６】
そこで、本発明は、高い電荷注入効率を示す帯電部材を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高品位な電子写真画像を形成し得る電子写真画像形成装置を提供に向けたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、導電性の基体と、一方の端が該基体に結合されている導電性の繊維とを有し、該繊維は、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含み、かつ、先端部において、該カーボンナノチューブが露出している帯電部材が提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、上記の帯電部材と、該帯電部材の先端とが接触するように配置されている電子写真感光体とを有している電子写真画像形成装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る帯電ブラシは、絡み合っているカーボンナノチューブを含み、かつ、当該カーボンナノチューブが繊維の先端部で露出している。そのため、感光体の表面と帯電部材の繊維先端部との接触抵抗が低減され、また、高効率な電荷注入が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る帯電部材の概略図である。
【図２】帯電ブラシの抵抗測定方法の説明図である。
【図３】実施例１に係る導電性繊維先端部近傍の表面および断面に存在するカーボンナノチューブの分散状態の模式図である。
【図４】比較例１に係る導電性繊維の芯におけるカーボンナノチューブの分散状態の模式図である。
【図５】比較例２に係る導電性繊維の芯中のカーボンナノチューブの分散状態の模式図である。
【図６】本発明に係る電子写真画像形成装置の概略図である。
【図７】本発明に係る導電性繊維の径方向の断面図である。（ａ）酸素プラズマ処理の施されていない部分の径方向の断面図。（ｂ）酸素プラズマ処理が施された部分の径方向の断面図。
【図８】本発明に係る帯電ブラシに用いるリボン状パイル織物の概略断面図である。
【図９】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の帯電部材を実施するための最良の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２２】
図１は本発明に係る帯電部材の一実施形態を示す帯電ブラシ３の断面を模式的に示している。帯電ブラシ３は、基体１３の表面に導電性接着層１２によって導電性繊維１１が結合させられている。図７は、１本の導電性繊維１１の径方向の断面図であり、図７（ａ）は基体に近い側の断面を示し、図７（ｂ）は被帯電体である電子写真感光体と接触する先端部分の断面を示す。
【００２３】
図７（ａ）において、１２は、カーボンナノチューブ１２１及び基材としての樹脂１２２を含み、かつ、カーボンナノチューブ１２１が絡み合ってなる構成を有する芯である。そして、芯１２は、熱可塑性樹脂を含む鞘１０によって被覆されている。一方、図７（ｂ）に示したように、導電性繊維の先端部分においては、鞘１０の部分が存在せず、芯１２を構成しているカーボンナノチューブが露出している。
【００２４】
ここで、芯１２は、複数本のカーボンナノチューブが絡み合ってなる構成を有する。その結果、導電性繊維の先端においては、電子写真感光体との接触によって導電パスを形成可能な放電点が多数存在しているものと考えられる。
【００２５】
芯を構成しているカーボンナノチューブとしては、長さＬが５μｍ以下、直径Ｄに対する長さＬの比であるアスペクト比Ｌ／Ｄが４００以下が好適である。カーボンナノチューブの長さＬが５μｍ以下、およびアスペクト比Ｌ／Ｄが４００以下とすることによって、溶融紡糸法によって導電性繊維を形成した際にも、カーボンナノチューブが繊維の紡糸方向に配向することが抑制され、カーボンナノチューブが絡み合った芯を容易に得ることができる。
【００２６】
本発明に係るカーボンナノチューブとしては、例えば、単一のグラフェンからなる円筒状のチューブである単層カーボンナノチューブ、および、２つ以上の径の異なるグラフェンからなる円筒状のチューブが重なった多層カーボンナノチューブを挙げられる。
【００２７】
導電性繊維の基材を構成する樹脂としては、例えばナイロン−６、ナイロン−６６、ナイロン−１２、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイドやポリエーテルエーテルケトンが挙げられる。また、２種以上の樹脂からなる混合樹脂であってもよい。
【００２８】
本発明に係る導電性繊維は、上記基材樹脂に、好ましくは、長さＬが５μｍ以下、アスペクト比Ｌ／Ｄが４００以下のカーボンナノチューブを所望量分散させた樹脂コンパウンドペレットを、溶融紡糸法を用いることにより製造される。
【００２９】
樹脂コンパウンドペレットは、例えば二軸エクストルーダー等を用いて、基材樹脂ペレットとカーボンナノチューブを直接混練・溶融によりペレット化することで製造することができる。基材樹脂中へのカーボンナノチューブを均一に分散された樹脂コンパウンドペレットを製造するには、基材樹脂ペレットを凍結粉砕し、所望の粒度分布の基材樹脂微粉末とカーボンナノチューブを直接混練・溶融によりペレット化することで製造することが好ましい。
【００３０】
溶融状態で口金から押し出された導電性繊維は、冷却され、処理剤を付着せしめた後、好ましくは、１００〜１００００ｍ／ｍｉｎ、特には３００ｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍ／ｍｉｎの巻き取り速度で巻き取られる。
【００３１】
ここで、口金ノズルから押し出される繊維は、１本のモノフィラメントよりも、複数の繊維の束からなるマルチフィラメントが好ましく、その繊維一束の本数は、２０〜２００本が好ましい。また、付着せしめた処理剤は、含水系あるいは非含水系の処理剤が適用される。
【００３２】
本発明に係る導電性繊維は、その根本側では、複数のカーボンナノチューブが絡み合っている芯と、該芯を被覆している熱可塑性樹脂を含む鞘とからなる芯鞘構造を有している。 一方、被帯電体である電子写真感光体と接触する先端部においては、鞘を有さず、芯に含まれている該カーボンナノチューブが表面に露出している。
【００３３】
被帯電体と接触する導電性繊維の先端部において、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを露出させるためには、芯を被覆している鞘を酸素プラズマ処理によって除去する方法が好適に用いられる。
【００３４】
酸素プラズマ処理は、真空容器内に酸素ガスを導入して減圧状態に保持し、真空容器と真空容器内に設置した多孔金属円筒電極の間に酸素プラズマを誘起し、前記多孔金属円筒電極内に設置した帯電ブラシの表面を処理するものである。前記多孔金属円筒電極内に帯電ブラシを設置することにより、プラズマ中のイオンや電子を可能な限り除去することで、酸素原子ラジカルにより、帯電ブラシを構成する導電性繊維先端部表面のスキン層を除去することが可能となる。プラズマ生成条件は、装置構成及び処理物の大きさにより、好適に選択されるが、高周波電力としては、３０Ｗ〜３００Ｗが、また酸素ガス流量は３０ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍが好ましい。
【００３５】
酸素プラズマ処理時間については、２分以上１０分以下が好ましい。酸素プラズマ処理時間を上記の範囲内とすることで、芯を被覆している鞘を十分に除去することができる。
【００３６】
ところで、注入帯電では、電位の収束性を確保するため、電子写真感光体が帯電ブラシと接触しているニップを通過する時間が、帯電ブラシ部材外周表面の導電性繊維の電気抵抗と感光体の静電容量からなる時定数の約５倍以上になることが望ましい。例えば、ＯＰＣと比べて誘電率の高いアモルファスシリコン感光体は、２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の周速で使用されることがある。この場合、すなわち、時定数が２ｍｓｅｃ以下になる場合は、感光体と帯電ブラシの先端部との接触部分、つまり、侵入量は、数１００μｍ以上有することが好ましく、また、電子写真感光体に接触しているニップの感光体回転方向の幅がある程度あることが好ましい。
【００３７】
そのため、一般的な感光体の半径と帯電部材の半径の合計から、電子写真感光体と帯電部材の回転中心距離を差し引いた値として定義されるブラシ毛の侵入量は４００μｍ以上が好ましい。このため、３次元的に絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含んでいる芯と、該芯を被覆している熱可塑性樹脂を含む鞘とからなる芯鞘構造を有する導電性繊維の先端部において、芯を露出させる範囲は、導電性繊維の先端部から根本に向かって、少なくとも４００μｍ以上とすることが好ましい。
【００３８】
本発明で用いられる導電性繊維１本当たりの電気抵抗値は、感光体の一部への電流集中による感光体の破壊を防止するために、１ｘ１０３Ω以上が好ましい。また、時定数が２ｍｍｓｅｃ以下になる注入帯電条件でも帯電電位を安定させるためには、必要に応じて、導電性繊維１本当たりの抵抗値を１ｘ１０１０Ω以下にすることが好ましい。
【００３９】
以上から、帯電ブラシの導電性繊維１本当たりの抵抗値は、１ｘ１０３Ω以上、１ｘ１０１０Ω以下が好ましい選択範囲である。
【００４０】
本発明で用いられる導電性繊維１本当たりの電気抵抗値の測定法を図２に示す。直径８０ｍｍのアルミニウム円筒１０１に対して、ブラシ部材１０２を、回転軸が平行になるように配置し、ブラシ部材を回転させながら高圧電源１０３で電圧を印加して、電流計１０４で読み取った電流値からブラシ部材の抵抗値を算出する。ブラシ部の導電性繊維の侵入量は５００μｍ、回転速度は１００ｒｐｍ、印加電圧は１００Ｖで測定を行った。
【００４１】
ブラシ部材とアルミニウム円筒とが接触している領域は、ブラシ部材の回転方向に約９ｍｍ、回転軸方向には３００ｍｍであり、導電性繊維の密度が８５０本／ｍｍ２の場合、測定したブラシ部材の抵抗値は約２．３×１０６本の導電性繊維からなっている。よって、ブラシ状態での導電性繊維１本当たりの抵抗値は、測定したブラシ部材抵抗値×２．３×１０６により得られる。
【００４２】
本発明に係る帯電部材の基体としては、金属、合金などの導電性材料が好ましく用いられるが、絶縁体や半導体に導電性金属をコートした基体であってもよい。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ＡｌやＡｌ合金、ＦｅやＦｅ合金、ＣｕやＣｕ合金、ＮｉやＮｉ合金等であり得る。あるいは、前記金属や合金の表面に導電性ゴム層を設けたものであってもよい。
【００４３】
本発明に係る帯電部材の製造方法としては、以下の２つの方法が挙げられる。
【００４４】
１）溶融紡糸法により製造された導電性繊維の複数本集めた束が織り込まれた帯状の基布を、導電性の芯金軸に螺旋状に巻回することによる製造される織りブラシである。
【００４５】
２）溶融紡糸法により製造された導電性繊維を、長さ０．５ｍｍ〜３ｍｍ前後にカットし、その後静電気を利用して飛翔させ、あらかじめ導電性接着層が塗布された基体に植え付ける、いわゆる静電植毛法で製造される静電植毛ブラシである。
【００４６】
織りブラシの製造法は以下の通りである。溶融紡糸法により製造された導電性繊維を例えば毛ばさみ織りで織布して起立することで、長さ０．５ｍｍ〜５ｍｍの導電性繊維を有する基布を得る。次に、前記基体表面に導電性接着剤を例えばスプレー法で、２０μｍ〜１００μｍの厚さでコートする。その後、前記基布の導電性繊維の起立していない面を、前記導電性接着剤を塗布した面に、螺旋状に巻回して張り合わせ、その後６０〜１００℃の乾燥機で数時間乾燥することで、織りブラシを得た。
【００４７】
静電植毛ブラシの製造法は以下の通りである。溶融紡糸法により製造された導電性繊維を長さ０．５ｍｍ〜３ｍｍ前後にカットし、カットパイルを得る。次に、前記基体表面に導電性接着剤を例えばスプレー法で、２０μｍ〜１００μｍの厚さでコートする。次に、導電性接着層が塗布された基体を軸線まわりに回転させながら、その下方に電極版を配置する。次に、電極板上に前記カットパイルを載置し、電極板と基体とを高電圧電源に接続することで、カットパイルが飛翔して基体上の導電性接着層に植毛される。
【００４８】
基体である金属芯表面に形成する導電性接着層は、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系樹脂の接着剤に導電性フェラーを分散させた導電性接着剤をスプレー法によって厚さ５０〜２００μｍで塗布し、その後熱硬化させて形成する。
【００４９】
また、本発明に用いられる導電性接着層の抵抗率の値は、１．０×１０２Ωｃｍ以上１．０×１０８Ωｃｍ以下が好ましい範囲である。
【００５０】
図６に示すように、本発明の一実施形態による電子写真画像形成装置は、上述した帯電ブラシからなる帯電部材３と、前記帯電部材により帯電され潜像が形成される感光体（感光ドラムともいう）２０１とを有する。感光体２０１は帯電部材３の導電性繊維の表面が接触するように配置される。
【００５１】
感光体２０１としては、例えば、直径が８０ｍｍの負帯電性のａ−Ｓｉ系感光ドラムを用い、感光体の回転速度は３００ｍｍ／ｓｅｃである。前露光ランプ２０２には、波長６６０ｎｍのＬＥＤを用い、帯電直前の感光ドラムの表面電位を均一に低下させるために感光ドラム表面を露光する。帯電装置は、上述したカーボンナノチューブを含有した導電性繊維を有する帯電部材３を用いる。画像信号により変調されたレーザー光２０３により走査露光が行われ、感光ドラム上に静電潜像を形成する。
【００５２】
現像器２０４には、マグネットローラを内包した４色の現像スリーブ（Ｍ、Ｙ、Ｃ、Ｋ）上に、現像剤をコーティングし、図示しない現像器用電源を用いて現像バイアスを印加することによって、感光ドラム上にトナーが現像される。現像剤としては、例えば、粒径が、約７μｍの負帯電性トナーと、約３５μｍの現像用磁性粒子とを用いる。現像スリーブは、感光ドラムと同方向に回転し、その周速は約４５０ｍｍ／ｓｅｃである。感光ドラムに対向しているマグネットローラの磁極は９０ｍＴであり、現像スリーブと感光ドラムとの隙間は３５０μｍとする。
【００５３】
転写装置は、直径１６ｍｍの導電性スポンジローラ２０５と直流電源２０６とからなり、被転写部材２０９を感光体との間に挟んで、トナーの帯電極性と逆極性の電圧を印加することで被転写部材上にトナーを移動させる。
【００５４】
クリーナー２０７としては、厚さ２ｍｍのウレタン製のクリーニングブレードを用い、転写残トナーをクリーニングブレードで感光ドラム上から掻き落とすことによりクリーニングを行う。
【００５５】
本発明で用いる帯電装置に装着される帯電ブラシは、外径２０ｍｍであり、感光体に対して回転軸を平行になるように配置する。帯電ブラシの半径と感光体の半径を加えた値から、各々の回転軸間の距離を引いた値である、所謂侵入量は、７５０μｍとする。帯電ブラシの回転方向は感光体と同じにすることで、感光体と帯電ブラシとの接触領域ではお互い逆方向に移動するようにし、回転速度は４５０ｍｍ／ｓｅｃ〜５５０ｍｍ／ｓｅｃとする。
【００５６】
帯電のためのバイアスとして、−７００Ｖの直流電圧を電源２０８より印加する。本実施例では直流のみであるが、正弦波のような交流電圧を重畳してもよい。
【００５７】
本発明に係る帯電ブラシは、絡み合っているカーボンナノチューブを含み、かつ、当該カーボンナノチューブが繊維の先端部で露出している。そのため、感光体の表面と帯電部材の繊維先端部との接触抵抗が低減され、また、高効率な電荷注入が可能となる。
また、かかる帯電ブラシを搭載した電子写真画像形成装置を用いて作像動作を行うことにより、良好な画像出力を行うことが可能となる。
【実施例】
【００５８】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これの実施例に何ら限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
ポリエチレンテレフタレートペレットを凍結粉砕後、分級により粒径２０μｍ以下の微粉末を作製した。次に、粒径２０μｍ以下のポリエチレンテレフタレート微粉末と、長さが５μｍ以下で平均長さが３μｍ、アスペクト比が４００以下のカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブが５ｗｔ％になるようにドライブレンドした。ドライブレンドしたこれらの材料を、二軸エクストルーダーを用いて混練、溶融して、カーボンナノチューブが均一に分散されたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを作製した。
【００６０】
次に、このペレットを１４０℃で４時間乾燥させ、その後、このペレットを二軸エクストルーダーに導入し、紡糸温度２９０℃にて、口径０．３ｍｍ、孔数が３６個の丸形孔の口金から該ペレットの溶融物を吐出させて紡糸した。
【００６１】
得られた紡出糸条は、冷却長１ｍの冷却装置（ユニフロータイプ）を用いて風温２５℃、風速０．５ｍ／秒の冷却風によって冷却・固化させ、油剤（実効成分１０重量％濃度）を付着させると共に、１０００ｍ／分で巻き取って、繊維径４２μｍの未延伸マルチフィラメント糸を作製した。
【００６２】
得られた未延伸マルチフィラメント糸を、温度１５０℃で、延伸倍率が２倍となるように熱延伸して、３６本の、直径３０μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００６３】
得られたマルチフィラメント糸から長さ５ｃｍの導電性繊維を１本切り出し、繊維の全面がプラズマにさらされるように設置して、酸素プラズマ処理を行った。酸素プラズマ処理後の導電性繊維の抵抗値は、３×１０７Ωであった。
【００６４】
次に、上記で作製したマルチフィラメント糸を用いて、図８に示すように幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製した。次に、リボン状のパイル織物をアルミパイプに巻き付けた状態で、真空容器内の多孔金属円筒電極内にアルミパイプの両端のみを支持する状態で設置し、酸素プラズマ処理を行った。
【００６５】
酸素プラズマ処理後のリボン状のパイル織物から１本の導電性繊維を抜き取り、導電性繊維のプラズマ処理側先端部の表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の構成成分としてのカーボンナノチューブ１２１の分散状態を図３に模式的に示す。図３に示したように、カーボンナノチューブ１２１は、導電性繊維の芯部分の表面および内部において、３次元的に絡み合い、ネットワーク組織を構成していることが分かった。
【００６６】
また、上記酸素プラズマ処理後のリボン状のパイル織物から１本の導電性繊維を抜き取り、プラズマ処理側とは反対のパイル織物の基地側（前記アルミパイプと接触する側）の導電性繊維表面をＳＥＭ観察した結果、カーボンナノチューブは観察されなかった。これは、カーボンナノチューブが分散された導電性繊維において、プラズマ処理されていない表面はスキン層が存在していることを意味している。
【００６７】
（実施例２）
ポリフェニレンサルファイドペレットを凍結粉砕後、分級により粒径２０μｍ以下の微粉末を作製した。次に、粒径２０μｍ以下のポリフェニレンサルファイド微粉末と、長さが５μｍ以下で平均長さが３μｍ、アスペクト比が４００以下のカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブが４．５ｗｔ％になるようにドライブレンドした。ドライブレンドしたこれらの材料を、二軸エクストルーダーを用いて混練、溶融して、カーボンナノチューブが均一に分散されたポリフェニレンサルファイド樹脂コンパウンドのペレットを作製した。次に、このペレットを用いて、実施例１と同様の方法によって、３６本の、直径２８μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００６８】
得られたマルチフィラメント糸から長さ５ｃｍの導電性繊維を１本を切り出し、当該導電性繊維の全面に対して酸素プラズマ処理を施した。酸素プラズマ処理後の導電性繊維の抵抗値は、８×１０７Ωであった。
【００６９】
次に、上記で作製したマルチフィラメント糸を用いて、施例１と同様の方法で、幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製し、さらにリボン状のパイル織物をアルミパイプに巻き付けた状態で酸素プラズマ処理を行った。
【００７０】
酸素プラズマ処理後、リボン状のパイル織物から１本の導電性繊維を抜き取り、導電性繊維のプラズマ処理側先端部の表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の構成成分としてのカーボンナノチューブの分散状態は図３と同様に、導電性繊維の芯の表面および内部において、３次元的に絡み合ったネットワーク組織を構成していることが分かった。
【００７１】
（比較例１）
平均長さが１０μｍ、平均アスペクト比が１５０のカーボンナノチューブを、ポリエチレンテレフタレート樹脂中に５ｗｔ％分散させたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを実施例１と同様の方法で作製した。
【００７２】
次に、このペレットを用いて、実施例１と同様の方法で、３６本の、直径３０μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００７３】
得られたマルチフィラメント糸から長さ５ｃｍの導電性繊維を１本切り出し、当該導電性繊維の全面に対して酸素プラズマ処理を施した。酸素プラズマ処理後の導電性繊維の芯の表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の中に分散されているカーボンナノチューブ１２１の分散状態を図４に模式的に示す。図４に示したように、カーボンナノチューブ１２１は、導電性繊維の芯の中においては、繊維の長さ方向に揃って配向しており、絡み合っていなかった。
【００７４】
（比較例２）
ポリエチレンテレフタレートペレットを凍結粉砕後、分級により粒径２０μｍ以下の微粉末を作製した。次に、粒径２０μｍ以下のポリエチレンテレフタレート微粉末と、平均長さが１５μｍ、平均アスペクト比が１００のカーボンナノファイバーを、カーボンナノファイバーが５ｗｔ％になるようにドライブレンドした。ドライブレンドしたこれらの材料を、二軸エクストルーダーで混練・溶融することで、カーボンナノファイバーが均一に分散されたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを作製した。
【００７５】
次に、このペレットを用いて、実施例１と同様の方法によって、３６本の、直径３０μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメントを作製した。
【００７６】
得られたマルチフィラメントから長さ５ｃｍの導電性繊維を１本切り出し、当該導電性繊維の全面に対して酸素プラズマ処理を施した。酸素プラズマ処理後の導電性繊維表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の中に分散されているカーボンナノファイバー１２３の分散状態を図５に模式的に示す。図５に示したように、カーボンナノファイバー１２３は繊維の長さ方向に揃って配向しており、絡み合っていなかった。
【００７７】
（実施例３）
実施例１と同様にして、ポリエチレンテレフタレート樹脂中に、長さが５μｍ以下で平均長さが３μｍ、アスペクト比が４００以下のカーボンナノチューブが均一に分散されたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを作製した。
【００７８】
このペレットを用いて、実施例１と同様の方法で、３６本の、直径２４μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００７９】
得られたマルチフィラメント糸を用いて、図８に示すような幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製した。このリボン状のパイル織物をステンレス鋼製の基体に巻き付けた後、真空容器内の多孔金属円筒電極内に基体の両端のみを支持する状態で設置し、酸素プラズマ処理を行った。プラズマ処理後、表面の最終仕上げ加工を行うことで、外径２０ｍｍの帯電ブラシを作製した。この帯電ブラシ表面の導電性繊維密度は、２００ｋＦ／ｉｎｃｈ２であった。
【００８０】
この帯電ブラシから１本の導電性繊維を抜き取って、表面および断面のＳＥＭ観察を行った。その結果、導電性繊維の先端部においては、図３に示すように、カーボンナノチューブが導電性繊維表面および内部において、３次元的に絡み合い、ネットワーク組織を構成していることを確認した。
【００８１】
また、この導電性繊維の先端の酸素プラズマ処理を施した部分の表面の放電性を以下の方法によって評価した。すなわち、図９に示す走査型プローブ顕微鏡を用いて、ＳＴＭ探針３０４にバイアス電圧を１０Ｖ印加し、前記ＳＴＭ探針を、アルミニウム製の試料台３０１上に置いた導電性シート３０３の上に設置した導電性繊維の表面に接触させ、５μｍ×５μｍの領域の走査を行いながら前記ＳＴＭ探針に流れる電流値を走査範囲全域で測定した。なお、図９中、３０１は電流検出回路を示す。その結果、酸素プラズマ処理部の測定部分の全表面積を基準として、約７５％の領域で電極との間に導電パスが形成されていることが分かった。
【００８２】
次に、この帯電ブラシを図６に示す複写機に装着し、帯電ブラシの感光体への侵入量を１ｍｍに設定した。帯電ブラシの回転速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとし、帯電ブラシに−７００Ｖの直流電圧を印加して電子写真画像の形成を行った。その結果、ハーフトーン部の網目の大きさが均一で、良好な画像が得られた。すなわち、感光体を均一かつ良好に帯電できたことが確認できた。
【００８３】
（比較例３）
実施例３と同様な方法で導電性繊維が３６本からなるマルチフィラメント糸を作製し、次いで幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製した。
【００８４】
次に、このリボン状のパイル織物をＳＵＳ製基体に巻き付けた後、表面の最終仕上げ加工を行うことで、外径２０ｍｍの帯電ブラシを作製した。この帯電ブラシ表面の導電性繊維密度は、２００ｋＦ／ｉｎｃｈ２であった。
【００８５】
また、この導電性繊維の表面の放電性を以下の方法によって評価した。すなわち、実施例３と同様な方法で走査型プローブ顕微鏡を用いて、導電性繊維表面の電流値を走査範囲全域で測定した。その結果、導電性繊維の測定部分の全表面積を基準として、約３０％の領域でしか電極との間に導電パスが形成されていないことが分かった。
【００８６】
次に、この帯電ブラシを実施例３と同様に図６に示す複写機内に取り付け、帯電ブラシの感光体への侵入量を１ｍｍに設定した。帯電ブラシの回転速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとし、帯電ブラシに−７００Ｖの直流電圧を印加した結果、白地部に紙の進行方向に沿って、スジ状にトナーがかぶった画像が出力された。また、ハーフトーン部の網目の大きさが乱れ、がさついた画像となった。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、電子写真画像形成装置に利用可能なものである。より詳しくは、像担持体として電荷注入層を表面に備える有機感光体やアモルファスシリコン系感光体に対して、接触帯電にて該感光体を帯電した後、潜像形成と現像剤像形成し、その像を転写材上に転写、定着を行い、画像形成を行う装置に対して、放電を用いることなく均一な帯電電位を得ることを可能とする。
【符号の説明】
【００８８】
３ ブラシ部材（帯電部材）
１０ 導電性繊維先端部
１１ 導電性繊維
１２ 導電性接着層
１３ 基体
１０１ アルミニウム円筒
１０２ 高圧電源
１０３ 電流計
１２１ カーボンナノチューブ
１２２ 樹脂
１２３ カーボンナノファイバー
２０１ 感光体
２０２ 前露光ランプ
２０３ レーザー光
２０４ 現像器
２０５ 導電性スポンジローラ
２０６ 直流電源
２０７ クリーナー
２０８ 電源
２０９ 被転写部材
３０１ 電流検出回路
３０２ 試料台（アルミ製）
３０３ 導電性シート
３０４ ＳＴＭ探針
３０５ 導電性繊維
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯電部材および電子写真画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
接触帯電の帯電機構（帯電メカニズム、帯電原理）には、（１）放電帯電機構と（２）直接注入帯電機構の２種類の帯電機構が混在しており、どちらが支配的であるかにより各々の特徴が現れる。
【０００３】
直接注入帯電機構は、接触帯電部材から被帯電体へ電荷が直接注入されることで、被帯電体表面を帯電するものである。接触帯電部材としての帯電ブラシを使用した帯電装置は、機構的に簡易であり、コスト的にも帯電ローラを使用したローラ帯電方式より有利なため実用化されつつある。
【０００４】
しかしながら、接触注入帯電を行う帯電方法では、注入効率などの点で未だ十分な特性が得難い。
【０００５】
帯電ブラシによる帯電では、感光体表面に帯電ブラシのブラシ毛を均一に接触させる必要がある。そのため、ブラシ毛を構成する繊維としては、例えばナイロン−６、ナイロン−６６、ナイロン−１２、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、やポリプロピレンなどの基材樹脂中にカーボン等の導電性フィラーを分散させた導電性繊維が使用されている。
【０００６】
前記導電性繊維は、基材樹脂と導電性フィラーとを所望の割合で含む樹脂コンパウンドペレットを、例えばエクストルーダー中で混練、溶融し、次いで、溶融物を紡糸口金より押し出し、冷却、延伸を行うことにより製造される。
【０００７】
ところが、上記の方法で製造される導電性繊維の表面のほとんどは電気的に絶縁性の基材樹脂で構成されている。そのため、このような導電性繊維から構成されたブラシ毛を有する帯電ブラシを用いて感光体を帯電させようとした場合、該帯電ブラシから感光体への電荷の注入は、導電性繊維の表面に露出した導電性フィラーが感光体に直接接触したときにのみ行われる。そのため、帯電効率が悪いという課題があった。
【０００８】
そこで、特許文献１には、被帯電体表面を帯電する帯電部材において、導電性樹脂成形物を機会研磨および／または裁断することにより、カーボンナノチューブの長手方向の一部を導電性樹脂成形物外に突出させて、電荷注入の速度を向上させることが記載されている。
【０００９】
また、特許文献２には、画像形成装置用帯電部材において、基材樹脂中に分散された導電性フィラーとしてのカーボンナンナノチューブを繊維の長さ方向にほぼ揃った導電性繊維を使用することにより、導電性繊維の電気抵抗値のばらつきが小さくなることが記載されている。
【００１０】
また、特許文献３には、ポリエステル樹脂中にカーボンナノファイバーを分散させた導電性繊維において、導電性繊維表面のスキン層を除去するために、アルカリ水溶液中に浸漬して、繊維表面の樹脂部分を溶解するエッチング処理により、導電性繊維表面の接触抵抗を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４０８９１２２号公報
【特許文献２】特開２００７−３４１９６号公報
【特許文献３】特開２００８−１３８３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、画像形成装置に望まれる高速化や高画質化の注入帯電条件では、後述する理由により、感光体表面に十分な帯電電圧を与えることが期待できない。
【００１３】
上記特許文献１に記載されている帯電部材は、カーボンナノチューブの全部または一部が帯電部材表面から突出しているため、感光体に対して注入帯電が行われる際、感光体に直接接触しているカーボンナノチューブの先端部からしか電荷注入が行われない。そのため、高効率な電荷注入が期待できない。
【００１４】
上記特許文献２に記載されている導電性繊維は、基材樹脂中に分散されたカーボンナノチューブの向きが、基材樹脂の内部において糸の長さ方向にほぼ揃っている。そのため、感光体に対して注入帯電が行われる際、導電性繊維表面に存在する電気的に高抵抗のスキン層が感光体に接触することになる。そのため、導電性繊維側面からの電荷注入はほとんど行われず、高効率な電荷注入が期待できない。
【００１５】
特許文献３に記載されている導電性繊維は、化学エッチング処理により繊維表面のスキン層が除去される。しかし、導電性フィラーであるカーボンナノファイバーが溶融紡糸によりポリエステル樹脂の内部において糸の長さ方向に揃うため、感光体に対して注入帯電が行われる際、導電性繊維側面で表面に存在するカーボンナノファイバー部分しか感光体表面に電荷注入が行われず、高効率な電荷注入が期待できない。さらに、化学エッチング処理については、基材樹脂は実質ポリエステルのみが可能であり、その他の樹脂について適用は困難である。
【００１６】
そこで、本発明は、高い電荷注入効率を示す帯電部材を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高品位な電子写真画像を形成し得る電子写真画像形成装置を提供に向けたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、導電性の基体と、一方の端が該基体に結合されている導電性の繊維とを有し、該繊維は、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含み、かつ、先端部において、該カーボンナノチューブが露出している帯電部材が提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、上記の帯電部材と、該帯電部材の先端とが接触するように配置されている電子写真感光体とを有している電子写真画像形成装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る帯電ブラシは、絡み合っているカーボンナノチューブを含み、かつ、当該カーボンナノチューブが繊維の先端部で露出している。そのため、感光体の表面と帯電部材の繊維先端部との接触抵抗が低減され、また、高効率な電荷注入が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る帯電部材の概略図である。
【図２】帯電ブラシの抵抗測定方法の説明図である。
【図３】実施例１に係る導電性繊維先端部近傍の表面および断面に存在するカーボンナノチューブの分散状態の模式図である。
【図４】比較例１に係る導電性繊維の芯におけるカーボンナノチューブの分散状態の模式図である。
【図５】比較例２に係る導電性繊維の芯中のカーボンナノチューブの分散状態の模式図である。
【図６】本発明に係る電子写真画像形成装置の概略図である。
【図７】本発明に係る導電性繊維の径方向の断面図である。（ａ）酸素プラズマ処理の施されていない部分の径方向の断面図。（ｂ）酸素プラズマ処理が施された部分の径方向の断面図。
【図８】本発明に係る帯電ブラシに用いるリボン状パイル織物の概略断面図である。
【図９】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の帯電部材を実施するための最良の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２２】
図１は本発明に係る帯電部材の一実施形態を示す帯電ブラシ３の断面を模式的に示している。帯電ブラシ３は、基体１３の表面に導電性接着層１２によって導電性繊維１１が結合させられている。図７は、１本の導電性繊維１１の径方向の断面図であり、図７（ａ）は基体に近い側の断面を示し、図７（ｂ）は被帯電体である電子写真感光体と接触する先端部分の断面を示す。
【００２３】
図７（ａ）において、１２は、カーボンナノチューブ１２１及び基材としての樹脂１２２を含み、かつ、カーボンナノチューブ１２１が絡み合ってなる構成を有する芯である。そして、芯１２は、熱可塑性樹脂を含む鞘１０によって被覆されている。一方、図７（ｂ）に示したように、導電性繊維の先端部分においては、鞘１０の部分が存在せず、芯１２を構成しているカーボンナノチューブが露出している。
【００２４】
ここで、芯１２は、複数本のカーボンナノチューブが絡み合ってなる構成を有する。その結果、導電性繊維の先端においては、電子写真感光体との接触によって導電パスを形成可能な放電点が多数存在しているものと考えられる。
【００２５】
芯を構成しているカーボンナノチューブとしては、長さＬが５μｍ以下、直径Ｄに対する長さＬの比であるアスペクト比Ｌ／Ｄが４００以下が好適である。カーボンナノチューブの長さＬが５μｍ以下、およびアスペクト比Ｌ／Ｄが４００以下とすることによって、溶融紡糸法によって導電性繊維を形成した際にも、カーボンナノチューブが繊維の紡糸方向に配向することが抑制され、カーボンナノチューブが絡み合った芯を容易に得ることができる。
【００２６】
本発明に係るカーボンナノチューブとしては、例えば、単一のグラフェンからなる円筒状のチューブである単層カーボンナノチューブ、および、２つ以上の径の異なるグラフェンからなる円筒状のチューブが重なった多層カーボンナノチューブを挙げられる。
【００２７】
導電性繊維の基材を構成する樹脂としては、例えばナイロン−６、ナイロン−６６、ナイロン−１２、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイドやポリエーテルエーテルケトンが挙げられる。また、２種以上の樹脂からなる混合樹脂であってもよい。
【００２８】
本発明に係る導電性繊維は、上記基材樹脂に、好ましくは、長さＬが５μｍ以下、アスペクト比Ｌ／Ｄが４００以下のカーボンナノチューブを所望量分散させた樹脂コンパウンドペレットを、溶融紡糸法を用いることにより製造される。
【００２９】
樹脂コンパウンドペレットは、例えば二軸エクストルーダー等を用いて、基材樹脂ペレットとカーボンナノチューブを直接混練・溶融によりペレット化することで製造することができる。基材樹脂中へのカーボンナノチューブを均一に分散された樹脂コンパウンドペレットを製造するには、基材樹脂ペレットを凍結粉砕し、所望の粒度分布の基材樹脂微粉末とカーボンナノチューブを直接混練・溶融によりペレット化することで製造することが好ましい。
【００３０】
溶融状態で口金から押し出された導電性繊維は、冷却され、処理剤を付着せしめた後、好ましくは、１００〜１００００ｍ／ｍｉｎ、特には３００ｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍ／ｍｉｎの巻き取り速度で巻き取られる。
【００３１】
ここで、口金ノズルから押し出される繊維は、１本のモノフィラメントよりも、複数の繊維の束からなるマルチフィラメントが好ましく、その繊維一束の本数は、２０〜２００本が好ましい。また、付着せしめた処理剤は、含水系あるいは非含水系の処理剤が適用される。
【００３２】
本発明に係る導電性繊維は、その根本側では、複数のカーボンナノチューブが絡み合っている芯と、該芯を被覆している熱可塑性樹脂を含む鞘とからなる芯鞘構造を有している。 一方、被帯電体である電子写真感光体と接触する先端部においては、鞘を有さず、芯に含まれている該カーボンナノチューブが表面に露出している。
【００３３】
被帯電体と接触する導電性繊維の先端部において、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを露出させるためには、芯を被覆している鞘を酸素プラズマ処理によって除去する方法が好適に用いられる。
【００３４】
酸素プラズマ処理は、真空容器内に酸素ガスを導入して減圧状態に保持し、真空容器と真空容器内に設置した多孔金属円筒電極の間に酸素プラズマを誘起し、前記多孔金属円筒電極内に設置した帯電ブラシの表面を処理するものである。前記多孔金属円筒電極内に帯電ブラシを設置することにより、プラズマ中のイオンや電子を可能な限り除去することで、酸素原子ラジカルにより、帯電ブラシを構成する導電性繊維先端部表面のスキン層を除去することが可能となる。プラズマ生成条件は、装置構成及び処理物の大きさにより、好適に選択されるが、高周波電力としては、３０Ｗ〜３００Ｗが、また酸素ガス流量は３０ｓｃｃｍ〜１５０ｓｃｃｍが好ましい。
【００３５】
酸素プラズマ処理時間については、２分以上１０分以下が好ましい。酸素プラズマ処理時間を上記の範囲内とすることで、芯を被覆している鞘を十分に除去することができる。
【００３６】
ところで、注入帯電では、電位の収束性を確保するため、電子写真感光体が帯電ブラシと接触しているニップを通過する時間が、帯電ブラシ部材外周表面の導電性繊維の電気抵抗と感光体の静電容量からなる時定数の約５倍以上になることが望ましい。例えば、ＯＰＣと比べて誘電率の高いアモルファスシリコン感光体は、２００ｍｍ／ｓｅｃ以上の周速で使用されることがある。この場合、すなわち、時定数が２ｍｓｅｃ以下になる場合は、感光体と帯電ブラシの先端部との接触部分、つまり、侵入量は、数１００μｍ以上有することが好ましく、また、電子写真感光体に接触しているニップの感光体回転方向の幅がある程度あることが好ましい。
【００３７】
そのため、一般的な感光体の半径と帯電部材の半径の合計から、電子写真感光体と帯電部材の回転中心距離を差し引いた値として定義されるブラシ毛の侵入量は４００μｍ以上が好ましい。このため、３次元的に絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含んでいる芯と、該芯を被覆している熱可塑性樹脂を含む鞘とからなる芯鞘構造を有する導電性繊維の先端部において、芯を露出させる範囲は、導電性繊維の先端部から根本に向かって、少なくとも４００μｍ以上とすることが好ましい。
【００３８】
本発明で用いられる導電性繊維１本当たりの電気抵抗値は、感光体の一部への電流集中による感光体の破壊を防止するために、１ｘ１０３Ω以上が好ましい。また、時定数が２ｍｍｓｅｃ以下になる注入帯電条件でも帯電電位を安定させるためには、必要に応じて、導電性繊維１本当たりの抵抗値を１ｘ１０１０Ω以下にすることが好ましい。
【００３９】
以上から、帯電ブラシの導電性繊維１本当たりの抵抗値は、１ｘ１０３Ω以上、１ｘ１０１０Ω以下が好ましい選択範囲である。
【００４０】
本発明で用いられる導電性繊維１本当たりの電気抵抗値の測定法を図２に示す。直径８０ｍｍのアルミニウム円筒１０１に対して、ブラシ部材１０２を、回転軸が平行になるように配置し、ブラシ部材を回転させながら高圧電源１０３で電圧を印加して、電流計１０４で読み取った電流値からブラシ部材の抵抗値を算出する。ブラシ部の導電性繊維の侵入量は５００μｍ、回転速度は１００ｒｐｍ、印加電圧は１００Ｖで測定を行った。
【００４１】
ブラシ部材とアルミニウム円筒とが接触している領域は、ブラシ部材の回転方向に約９ｍｍ、回転軸方向には３００ｍｍであり、導電性繊維の密度が８５０本／ｍｍ２の場合、測定したブラシ部材の抵抗値は約２．３×１０６本の導電性繊維からなっている。よって、ブラシ状態での導電性繊維１本当たりの抵抗値は、測定したブラシ部材抵抗値×２．３×１０６により得られる。
【００４２】
本発明に係る帯電部材の基体としては、金属、合金などの導電性材料が好ましく用いられるが、絶縁体や半導体に導電性金属をコートした基体であってもよい。具体的には、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ＡｌやＡｌ合金、ＦｅやＦｅ合金、ＣｕやＣｕ合金、ＮｉやＮｉ合金等であり得る。あるいは、前記金属や合金の表面に導電性ゴム層を設けたものであってもよい。
【００４３】
本発明に係る帯電部材の製造方法としては、以下の２つの方法が挙げられる。
【００４４】
１）溶融紡糸法により製造された導電性繊維の複数本集めた束が織り込まれた帯状の基布を、導電性の芯金軸に螺旋状に巻回することによる製造される織りブラシである。
【００４５】
２）溶融紡糸法により製造された導電性繊維を、長さ０．５ｍｍ〜３ｍｍ前後にカットし、その後静電気を利用して飛翔させ、あらかじめ導電性接着層が塗布された基体に植え付ける、いわゆる静電植毛法で製造される静電植毛ブラシである。
【００４６】
織りブラシの製造法は以下の通りである。溶融紡糸法により製造された導電性繊維を例えば毛ばさみ織りで織布して起立することで、長さ０．５ｍｍ〜５ｍｍの導電性繊維を有する基布を得る。次に、前記基体表面に導電性接着剤を例えばスプレー法で、２０μｍ〜１００μｍの厚さでコートする。その後、前記基布の導電性繊維の起立していない面を、前記導電性接着剤を塗布した面に、螺旋状に巻回して張り合わせ、その後６０〜１００℃の乾燥機で数時間乾燥することで、織りブラシを得た。
【００４７】
静電植毛ブラシの製造法は以下の通りである。溶融紡糸法により製造された導電性繊維を長さ０．５ｍｍ〜３ｍｍ前後にカットし、カットパイルを得る。次に、前記基体表面に導電性接着剤を例えばスプレー法で、２０μｍ〜１００μｍの厚さでコートする。次に、導電性接着層が塗布された基体を軸線まわりに回転させながら、その下方に電極版を配置する。次に、電極板上に前記カットパイルを載置し、電極板と基体とを高電圧電源に接続することで、カットパイルが飛翔して基体上の導電性接着層に植毛される。
【００４８】
基体である金属芯表面に形成する導電性接着層は、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系樹脂の接着剤に導電性フェラーを分散させた導電性接着剤をスプレー法によって厚さ５０〜２００μｍで塗布し、その後熱硬化させて形成する。
【００４９】
また、本発明に用いられる導電性接着層の抵抗率の値は、１．０×１０２Ωｃｍ以上１．０×１０８Ωｃｍ以下が好ましい範囲である。
【００５０】
図６に示すように、本発明の一実施形態による電子写真画像形成装置は、上述した帯電ブラシからなる帯電部材３と、前記帯電部材により帯電され潜像が形成される感光体（感光ドラムともいう）２０１とを有する。感光体２０１は帯電部材３の導電性繊維の表面が接触するように配置される。
【００５１】
感光体２０１としては、例えば、直径が８０ｍｍの負帯電性のａ−Ｓｉ系感光ドラムを用い、感光体の回転速度は３００ｍｍ／ｓｅｃである。前露光ランプ２０２には、波長６６０ｎｍのＬＥＤを用い、帯電直前の感光ドラムの表面電位を均一に低下させるために感光ドラム表面を露光する。帯電装置は、上述したカーボンナノチューブを含有した導電性繊維を有する帯電部材３を用いる。画像信号により変調されたレーザー光２０３により走査露光が行われ、感光ドラム上に静電潜像を形成する。
【００５２】
現像器２０４には、マグネットローラを内包した４色の現像スリーブ（Ｍ、Ｙ、Ｃ、Ｋ）上に、現像剤をコーティングし、図示しない現像器用電源を用いて現像バイアスを印加することによって、感光ドラム上にトナーが現像される。現像剤としては、例えば、粒径が、約７μｍの負帯電性トナーと、約３５μｍの現像用磁性粒子とを用いる。現像スリーブは、感光ドラムと同方向に回転し、その周速は約４５０ｍｍ／ｓｅｃである。感光ドラムに対向しているマグネットローラの磁極は９０ｍＴであり、現像スリーブと感光ドラムとの隙間は３５０μｍとする。
【００５３】
転写装置は、直径１６ｍｍの導電性スポンジローラ２０５と直流電源２０６とからなり、被転写部材２０９を感光体との間に挟んで、トナーの帯電極性と逆極性の電圧を印加することで被転写部材上にトナーを移動させる。
【００５４】
クリーナー２０７としては、厚さ２ｍｍのウレタン製のクリーニングブレードを用い、転写残トナーをクリーニングブレードで感光ドラム上から掻き落とすことによりクリーニングを行う。
【００５５】
本発明で用いる帯電装置に装着される帯電ブラシは、外径２０ｍｍであり、感光体に対して回転軸を平行になるように配置する。帯電ブラシの半径と感光体の半径を加えた値から、各々の回転軸間の距離を引いた値である、所謂侵入量は、７５０μｍとする。帯電ブラシの回転方向は感光体と同じにすることで、感光体と帯電ブラシとの接触領域ではお互い逆方向に移動するようにし、回転速度は４５０ｍｍ／ｓｅｃ〜５５０ｍｍ／ｓｅｃとする。
【００５６】
帯電のためのバイアスとして、−７００Ｖの直流電圧を電源２０８より印加する。本実施例では直流のみであるが、正弦波のような交流電圧を重畳してもよい。
【００５７】
本発明に係る帯電ブラシは、絡み合っているカーボンナノチューブを含み、かつ、当該カーボンナノチューブが繊維の先端部で露出している。そのため、感光体の表面と帯電部材の繊維先端部との接触抵抗が低減され、また、高効率な電荷注入が可能となる。
また、かかる帯電ブラシを搭載した電子写真画像形成装置を用いて作像動作を行うことにより、良好な画像出力を行うことが可能となる。
【実施例】
【００５８】
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これの実施例に何ら限定されるものではない。
【００５９】
（実施例１）
ポリエチレンテレフタレートペレットを凍結粉砕後、分級により粒径２０μｍ以下の微粉末を作製した。次に、粒径２０μｍ以下のポリエチレンテレフタレート微粉末と、長さが５μｍ以下で平均長さが３μｍ、アスペクト比が４００以下のカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブが５ｗｔ％になるようにドライブレンドした。ドライブレンドしたこれらの材料を、二軸エクストルーダーを用いて混練、溶融して、カーボンナノチューブが均一に分散されたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを作製した。
【００６０】
次に、このペレットを１４０℃で４時間乾燥させ、その後、このペレットを二軸エクストルーダーに導入し、紡糸温度２９０℃にて、口径０．３ｍｍ、孔数が３６個の丸形孔の口金から該ペレットの溶融物を吐出させて紡糸した。
【００６１】
得られた紡出糸条は、冷却長１ｍの冷却装置（ユニフロータイプ）を用いて風温２５℃、風速０．５ｍ／秒の冷却風によって冷却・固化させ、油剤（実効成分１０重量％濃度）を付着させると共に、１０００ｍ／分で巻き取って、繊維径４２μｍの未延伸マルチフィラメント糸を作製した。
【００６２】
得られた未延伸マルチフィラメント糸を、温度１５０℃で、延伸倍率が２倍となるように熱延伸して、３６本の、直径３０μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００６３】
得られたマルチフィラメント糸から長さ５ｃｍの導電性繊維を１本切り出し、繊維の全面がプラズマにさらされるように設置して、酸素プラズマ処理を行った。酸素プラズマ処理後の導電性繊維の抵抗値は、３×１０７Ωであった。
【００６４】
次に、上記で作製したマルチフィラメント糸を用いて、図８に示すように幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製した。次に、リボン状のパイル織物をアルミパイプに巻き付けた状態で、真空容器内の多孔金属円筒電極内にアルミパイプの両端のみを支持する状態で設置し、酸素プラズマ処理を行った。
【００６５】
酸素プラズマ処理後のリボン状のパイル織物から１本の導電性繊維を抜き取り、導電性繊維のプラズマ処理側先端部の表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の構成成分としてのカーボンナノチューブ１２１の分散状態を図３に模式的に示す。図３に示したように、カーボンナノチューブ１２１は、導電性繊維の芯部分の表面および内部において、３次元的に絡み合い、ネットワーク組織を構成していることが分かった。
【００６６】
また、上記酸素プラズマ処理後のリボン状のパイル織物から１本の導電性繊維を抜き取り、プラズマ処理側とは反対のパイル織物の基地側（前記アルミパイプと接触する側）の導電性繊維表面をＳＥＭ観察した結果、カーボンナノチューブは観察されなかった。これは、カーボンナノチューブが分散された導電性繊維において、プラズマ処理されていない表面はスキン層が存在していることを意味している。
【００６７】
（実施例２）
ポリフェニレンサルファイドペレットを凍結粉砕後、分級により粒径２０μｍ以下の微粉末を作製した。次に、粒径２０μｍ以下のポリフェニレンサルファイド微粉末と、長さが５μｍ以下で平均長さが３μｍ、アスペクト比が４００以下のカーボンナノチューブを、カーボンナノチューブが４．５ｗｔ％になるようにドライブレンドした。ドライブレンドしたこれらの材料を、二軸エクストルーダーを用いて混練、溶融して、カーボンナノチューブが均一に分散されたポリフェニレンサルファイド樹脂コンパウンドのペレットを作製した。次に、このペレットを用いて、実施例１と同様の方法によって、３６本の、直径２８μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００６８】
得られたマルチフィラメント糸から長さ５ｃｍの導電性繊維を１本を切り出し、当該導電性繊維の全面に対して酸素プラズマ処理を施した。酸素プラズマ処理後の導電性繊維の抵抗値は、８×１０７Ωであった。
【００６９】
次に、上記で作製したマルチフィラメント糸を用いて、施例１と同様の方法で、幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製し、さらにリボン状のパイル織物をアルミパイプに巻き付けた状態で酸素プラズマ処理を行った。
【００７０】
酸素プラズマ処理後、リボン状のパイル織物から１本の導電性繊維を抜き取り、導電性繊維のプラズマ処理側先端部の表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の構成成分としてのカーボンナノチューブの分散状態は図３と同様に、導電性繊維の芯の表面および内部において、３次元的に絡み合ったネットワーク組織を構成していることが分かった。
【００７１】
（比較例１）
平均長さが１０μｍ、平均アスペクト比が１５０のカーボンナノチューブを、ポリエチレンテレフタレート樹脂中に５ｗｔ％分散させたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを実施例１と同様の方法で作製した。
【００７２】
次に、このペレットを用いて、実施例１と同様の方法で、３６本の、直径３０μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００７３】
得られたマルチフィラメント糸から長さ５ｃｍの導電性繊維を１本切り出し、当該導電性繊維の全面に対して酸素プラズマ処理を施した。酸素プラズマ処理後の導電性繊維の芯の表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の中に分散されているカーボンナノチューブ１２１の分散状態を図４に模式的に示す。図４に示したように、カーボンナノチューブ１２１は、導電性繊維の芯の中においては、繊維の長さ方向に揃って配向しており、絡み合っていなかった。
【００７４】
（比較例２）
ポリエチレンテレフタレートペレットを凍結粉砕後、分級により粒径２０μｍ以下の微粉末を作製した。次に、粒径２０μｍ以下のポリエチレンテレフタレート微粉末と、平均長さが１５μｍ、平均アスペクト比が１００のカーボンナノファイバーを、カーボンナノファイバーが５ｗｔ％になるようにドライブレンドした。ドライブレンドしたこれらの材料を、二軸エクストルーダーで混練・溶融することで、カーボンナノファイバーが均一に分散されたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを作製した。
【００７５】
次に、このペレットを用いて、実施例１と同様の方法によって、３６本の、直径３０μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメントを作製した。
【００７６】
得られたマルチフィラメントから長さ５ｃｍの導電性繊維を１本切り出し、当該導電性繊維の全面に対して酸素プラズマ処理を施した。酸素プラズマ処理後の導電性繊維表面および断面のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察の結果から、導電性繊維の芯の中に分散されているカーボンナノファイバー１２３の分散状態を図５に模式的に示す。図５に示したように、カーボンナノファイバー１２３は繊維の長さ方向に揃って配向しており、絡み合っていなかった。
【００７７】
（実施例３）
実施例１と同様にして、ポリエチレンテレフタレート樹脂中に、長さが５μｍ以下で平均長さが３μｍ、アスペクト比が４００以下のカーボンナノチューブが均一に分散されたポリエチレンテレフタレート樹脂コンパウンドのペレットを作製した。
【００７８】
このペレットを用いて、実施例１と同様の方法で、３６本の、直径２４μｍの導電性繊維からなるマルチフィラメント糸を作製した。
【００７９】
得られたマルチフィラメント糸を用いて、図８に示すような幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製した。このリボン状のパイル織物をステンレス鋼製の基体に巻き付けた後、真空容器内の多孔金属円筒電極内に基体の両端のみを支持する状態で設置し、酸素プラズマ処理を行った。プラズマ処理後、表面の最終仕上げ加工を行うことで、外径２０ｍｍの帯電ブラシを作製した。この帯電ブラシ表面の導電性繊維密度は、２００ｋＦ／ｉｎｃｈ２であった。
【００８０】
この帯電ブラシから１本の導電性繊維を抜き取って、表面および断面のＳＥＭ観察を行った。その結果、導電性繊維の先端部においては、図３に示すように、カーボンナノチューブが導電性繊維表面および内部において、３次元的に絡み合い、ネットワーク組織を構成していることを確認した。
【００８１】
また、この導電性繊維の先端の酸素プラズマ処理を施した部分の表面の放電性を以下の方法によって評価した。すなわち、図９に示す走査型プローブ顕微鏡を用いて、ＳＴＭ探針３０４にバイアス電圧を１０Ｖ印加し、前記ＳＴＭ探針を、アルミニウム製の試料台３０１上に置いた導電性シート３０３の上に設置した導電性繊維の表面に接触させ、５μｍ×５μｍの領域の走査を行いながら前記ＳＴＭ探針に流れる電流値を走査範囲全域で測定した。なお、図９中、３０１は電流検出回路を示す。その結果、酸素プラズマ処理部の測定部分の全表面積を基準として、約７５％の領域で電極との間に導電パスが形成されていることが分かった。
【００８２】
次に、この帯電ブラシを図６に示す複写機に装着し、帯電ブラシの感光体への侵入量を１ｍｍに設定した。帯電ブラシの回転速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとし、帯電ブラシに−７００Ｖの直流電圧を印加して電子写真画像の形成を行った。その結果、ハーフトーン部の網目の大きさが均一で、良好な画像が得られた。すなわち、感光体を均一かつ良好に帯電できたことが確認できた。
【００８３】
（比較例３）
実施例３と同様な方法で導電性繊維が３６本からなるマルチフィラメント糸を作製し、次いで幅１５ｍｍのリボン状のパイル織物を作製した。
【００８４】
次に、このリボン状のパイル織物をＳＵＳ製基体に巻き付けた後、表面の最終仕上げ加工を行うことで、外径２０ｍｍの帯電ブラシを作製した。この帯電ブラシ表面の導電性繊維密度は、２００ｋＦ／ｉｎｃｈ２であった。
【００８５】
また、この導電性繊維の表面の放電性を以下の方法によって評価した。すなわち、実施例３と同様な方法で走査型プローブ顕微鏡を用いて、導電性繊維表面の電流値を走査範囲全域で測定した。その結果、導電性繊維の測定部分の全表面積を基準として、約３０％の領域でしか電極との間に導電パスが形成されていないことが分かった。
【００８６】
次に、この帯電ブラシを実施例３と同様に図６に示す複写機内に取り付け、帯電ブラシの感光体への侵入量を１ｍｍに設定した。帯電ブラシの回転速度を５００ｍｍ／ｓｅｃとし、帯電ブラシに−７００Ｖの直流電圧を印加した結果、白地部に紙の進行方向に沿って、スジ状にトナーがかぶった画像が出力された。また、ハーフトーン部の網目の大きさが乱れ、がさついた画像となった。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、電子写真画像形成装置に利用可能なものである。より詳しくは、像担持体として電荷注入層を表面に備える有機感光体やアモルファスシリコン系感光体に対して、接触帯電にて該感光体を帯電した後、潜像形成と現像剤像形成し、その像を転写材上に転写、定着を行い、画像形成を行う装置に対して、放電を用いることなく均一な帯電電位を得ることを可能とする。
【符号の説明】
【００８８】
３ ブラシ部材（帯電部材）
１０ 導電性繊維先端部
１１ 導電性繊維
１２ 導電性接着層
１３ 基体
１０１ アルミニウム円筒
１０２ 高圧電源
１０３ 電流計
１２１ カーボンナノチューブ
１２２ 樹脂
１２３ カーボンナノファイバー
２０１ 感光体
２０２ 前露光ランプ
２０３ レーザー光
２０４ 現像器
２０５ 導電性スポンジローラ
２０６ 直流電源
２０７ クリーナー
２０８ 電源
２０９ 被転写部材
３０１ 電流検出回路
３０２ 試料台（アルミ製）
３０３ 導電性シート
３０４ ＳＴＭ探針
３０５ 導電性繊維
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の基体と、一方の端が該基体に結合されている導電性の繊維とを有している帯電部材であって、
該繊維は、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含み、かつ、先端部において、該カーボンナノチューブが露出していることを特徴とする帯電部材。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブが、長さが５μｍ以下、アスペクト比が４００以下である請求項１に記載の帯電部材。
【請求項３】
前記繊維が、基材として樹脂を含む請求項１または２に記載の帯電部材。
【請求項４】
前記繊維は、その根本側においては、
絡み合っているカーボンナノチューブと基材としての樹脂を含む芯と、
該芯を被覆している、樹脂を含む鞘と、からなる芯鞘構造を有し、
その先端部においては、該鞘を有しておらず、該芯に含まれている該カーボンナノチューブが表面に露出している請求項１〜３のいずれか一項に記載の帯電部材。
【請求項５】
前記樹脂が、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンからなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項３または４に記載の帯電部材。
【請求項６】
前記導電性繊維の１本の電気抵抗値は、１×１０３Ω以上、１×１０１０Ω以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の帯電部材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の帯電部材と、該帯電部材の先端とが接触するように配置されている電子写真感光体とを有していることを特徴とする電子写真画像形成装置。
【請求項１】
導電性の基体と、一方の端が該基体に結合されている導電性の繊維とを有している帯電部材であって、
該繊維は、絡み合っている複数のカーボンナノチューブを含み、かつ、先端部において、該カーボンナノチューブが露出していることを特徴とする帯電部材。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブが、長さが５μｍ以下、アスペクト比が４００以下である請求項１に記載の帯電部材。
【請求項３】
前記繊維が、基材として樹脂を含む請求項１または２に記載の帯電部材。
【請求項４】
前記繊維は、その根本側においては、
絡み合っているカーボンナノチューブと基材としての樹脂を含む芯と、
該芯を被覆している、樹脂を含む鞘と、からなる芯鞘構造を有し、
その先端部においては、該鞘を有しておらず、該芯に含まれている該カーボンナノチューブが表面に露出している請求項１〜３のいずれか一項に記載の帯電部材。
【請求項５】
前記樹脂が、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンからなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項３または４に記載の帯電部材。
【請求項６】
前記導電性繊維の１本の電気抵抗値は、１×１０３Ω以上、１×１０１０Ω以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の帯電部材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の帯電部材と、該帯電部材の先端とが接触するように配置されている電子写真感光体とを有していることを特徴とする電子写真画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０１３２６（Ｐ２０１３−１０１３２６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２６１４７（Ｐ２０１２−２２６１４７）
【出願日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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