JP2006184927A - 感光体およびその製法ならびにこの感光体を搭載した画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】感光体加熱用のヒーターを設けない程度にまで表面の疎水性を高めた感光体を提供することにある。
【解決手段】本発明に係る感光体は、導電性基板上に表面保護層を含む積層構造が形成されてなるものであって、表面保護層は、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなる第1領域6b、および、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンにフッ素を含有してなる第2領域6cを交互に複数形成してなる。
【選択図】図3
【解決手段】本発明に係る感光体は、導電性基板上に表面保護層を含む積層構造が形成されてなるものであって、表面保護層は、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなる第1領域6b、および、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンにフッ素を含有してなる第2領域6cを交互に複数形成してなる。
【選択図】図3
Description
本発明はアモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなるフッ素含有の表面保護層を備えた感光体およびその製法ならびにこの感光体を搭載した画像形成装置に関するものである。
アモルファスシリコン(以下、アモルファスシリコンをa−Siと略記する)を光導電層とした感光体が、すでに製品化されているが、このa−Si感光体は導電性基板上にグロー放電分解法により水素化アモルファスシリコン(以下、水素化アモルファスシリコンをa−Si:Hと略記する)からなる電荷注入阻止層と、a−Si:Hからなる光導電層と、水素化アモルファスシリコンカーバイド(以下、水素化アモルファスシリコンカーバイドをa−SiC:Hと略記する)からなる表面保護層とを順次積層した層構成である。
しかしながら、このような層構成の感光体においては、とくに高湿環境下で耐刷をおこなうと、画像流れと呼ばれる画像不良が発生していた。
この画像流れの発生を防止するために、ヒーターを用いて感光体を加熱して、その原因となる水分を飛散させる技術が提示されているが、これによって画像流れが改善されたが、その反面、感光体の帯電能が低下したり、感光体表面にトナーが固着したり、画像形成装置の消費電力が増大していた。
かかる課題を解消するために、a−SiC:H表面保護層の元素比率と自由表面の動的押し込み硬さとを規定することで、ヒーターを用いないでもクリーニング手段などにより表面を適度に研磨して、表面層に吸着した放電生成物などを除去し、これによって画像流れを解消する技術が提示されている(特許文献1参照)。
一方、a−Siを主成分とする感光体層の上に水素化アモルファスカーボン(以下、水素化アモルファスカーボンをa−C:Hと略記する)からなる表面保護層を積層し、ついでフッ素を含むガスでプラズマ放電処理をおこない、表面近傍中にCF、CF2 等の官能基を形成し、これによって疎水性を高め、オゾンの照射による疎水性の劣化を抑制して耐環境性が高める技術が提示されている(特許文献2参照)。
上記のようなプラズマ放電処理をおこなうと、膜の表面がエッチングされるが、加えて成膜とエッチングを交互に複数回繰り返すことで表面保護層を形成する技術も提案されている(特許文献3参照)。
特開平9−204056号公報
特公平7−3597号公報
特開平10−177265号公報
しかしながら、特開平9−204056号によれば、ヒーターを用いた加熱をおこなわないにしても、この感光体を搭載した画像形成装置に、ブレードなどの研磨手段を設けなければならず、設計上および構成上煩雑になり、製造歩留りを低下させたり、耐久性および信頼性が劣る原因になっていた。
他方、特公平7−3597号においては、a−C:Hからなる表面保護層を設けて、フッ素を含むガスでプラズマ放電処理し、疎水性を高めることができるが、画像形成装置に感光体用ヒーターを設けないでもよい程度の高い疎水性能は達成されていない。
また、特開平10−177265号においては、表面保護層をBN膜で形成し、1回のエッチングによってエッチングされる膜厚を20Å以上にすることが記載されるが、エッチングレートについては、一切記載されていない。しかしながら、このような方法にてBN膜を形成すると成膜速度が低くなり、製造コストが高くなる。
さらに表面保護層をBN膜で形成しても、硬度が低く、耐久性に劣ったり、原子レベルにおける結合状態が不安定であるために、電位特性にバラツキが生じるという問題点もある。
本発明者は上記事情に鑑みて鋭意研究に努めた結果、グロー放電法によりシリコンカーバイドもしくはカーボンからなるアモルファス層を成膜形成し、ついでこのアモルファス層に対しフッ素を含むガスによりエッチング処理するフッ素化工程を経て、フッ素を12〜35%含有し、動的押し込み硬さが90kgf/mm2 以上の表面保護層を形成することで、疎水性が著しく高くなり、これによって画像形成装置に感光体用のヒーターを設けなくてもよくなることが見出した。
したがって本発明は上記知見により完成されたものであり、その目的は感光体加熱用のヒーターを設けない程度にまで表面の疎水性を高めた感光体を提供することにある。
本発明の他の目的は表面保護層の硬度を高めて優れた耐久性を達成するとともに、電位特性のバラツキをなくした高信頼性かつ低コストの感光体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、かかる本発明の感光体を得るための感光体の製法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は感光体用のヒーターを設けないことで、構造上簡単となり、製造歩留りが向上し、さらに部品点数が少なくなることで優れた耐久性が得られ、その結果、低コストかつ高信頼性の画像形成装置を提供することにある。
本発明の第1の側面に係る感光体は、導電性基板上に表面保護層を含む積層構造が形成されてなるものであって、前記表面保護層は、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなる第1領域、および、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンにフッ素を含有してなる第2領域を交互に複数形成してなることを特徴としている。
本感光体において前記表面保護層における前記第1領域の膜厚は、前記表面保護層における前記第2領域の膜厚より小さいのが好ましい。
本感光体において前記表面保護層における前記第1領域の膜厚は0.001〜0.05μmであり、前記表面保護層における前記第2領域の膜厚は0.005〜0.5μmであるのが好ましい。
本発明の第2の側面に係る感光体の製法は、導電性基板上に光導電層を含む積層構造が形成されてなる感光体の該光導電層に対して、シリコンカーバイトもしくはカーボンからなるアモルファス層をグロー放電法により形成する第1工程と、プラズマ化したフッ素含有ガスにより、前記アモルファス層の一部にエッチング処理を施すとともに該アモルファス層の一部にフッ素を侵入させる第2工程と、前記第1工程および第2工程を繰り返すことにより、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなる第1領域、および、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンにフッ素を含有してなる第2領域を交互に複数形成する第3工程と、を含むことを特徴としている。
本製法において前記アモルファス層の膜厚は0.05〜0.5μmであるのが好ましい。
本製法において前記第2領域におけるフッ素の含有量は12〜35原子%であるのが好ましい。
本発明に係る画像形成装置は、本発明の第1の側面に係る感光体、あるいは、本発明の第2の側面に係る製法により作製される感光体と、前記感光体に電荷を付与する帯電手段と、前記帯電手段により電荷が付与される前記感光体の帯電領域に対して光を照射する露光手段と、前記帯電手段および前記露光手段により前記感光体に形成される静電潜像に対して、トナー像を該感光体に形成する現像手段と、被転写材に前記トナー像を転写する転写手段と、前記感光体に残留するトナーを除去するクリーニング手段と、前記感光体に残る残余静電潜像を除去する除電手段と、を備えることを特徴としている。
以上のとおり、本発明の感光体によれば、フッ素含有のアモルファスシリコンカーバイド(a−SiC)もしくはアモルファスカーボン(a−C)からなる表面保護層に対し、動的押し込み硬さを90kgf/mm2 以上に、かつフッ素含有量を12〜35原子%に規定した感光体を得ることができる。したがって、本感光体は、優れた耐刷性が得られ、紙などでもって擦れる度合いが著しく低減し、しかも、感光体加熱用のヒーターを設けない程度にまで表面の疎水性を高めて、画像流れが発生しなくなり、さらに電位特性のバラツキがなくなり、その結果、高耐久性、高性能、高信頼性、かつ低コストにすることができる。
本発明の感光体の製法によれば、グロー放電法によりシリコンカーバイド(SiC)もしくはカーボン(C)からなるアモルファス層を成膜形成し、ついでアモルファス層に対しフッ素を含むガスをプラズマ化してエッチング処理すると同時に、膜内に含有させる工程を経ることで、フッ素を12〜35原子%含有し、動的押し込み硬さが90kgf/mm2 以上の表面保護層を形成することができる。したがって、本製法では、上記のような優れた耐久性を備え、さらに高性能かつ高信頼性、低コストを達成した感光体が提供できる。
本発明の画像形成装置は、上記本発明の感光体を装着することで、感光体用のヒーターを設けなくてもよく、これにより、構造上簡単となり、製造歩留りが向上し、さらに部品点数が少なくなることで優れた耐久性が得られ、その結果、低コストかつ高信頼性の画像形成装置が提供できた。
感光体の構成本発明の感光体は導電性基板の上に少なくとも光導電層と表面保護層との積層構造を基本とするものであって、さらに性能を上げるために、たとえば図1に示すような積層構造にする。
同図は本発明の実施形態に係る感光体1の層構成であり、グロー放電分解法などによりa−Si:Hなどからなる電荷注入阻止層3およびa−Si:Hなどからなる光導電層4とを順次積層し、この光導電層4上に表面保護層5を積層する。
導電性基板2は銅、黄銅、SUS、Al、Niなどの金属導電体、あるいはガラス、セラミックなどの絶縁体の表面に導電性薄膜を被覆したものなどがある。この導電性基板2はシート状、ベルト状もしくはウェブ状可とう性導電シートでもよく、このようなシートにはSUS、Al、Niなどの金属シート、あるいはポリエステル、ナイロン、ポリイミドなどの高分子樹脂フィルムの上にAl、Niなどの金属もしくは酸化スズ、インジウム・スズ・オキサイド(ITO)などの透明導電性材料や有機導電性材料を蒸着などにより被覆して導電処理したものを用いる。
また、電荷注入阻止層3をa−Si:Hなどで構成した場合には、酸素や窒素を含有させて、禁制帯幅を大きくし、これによって電荷注入阻止という機能上、障壁を高くしてもよい。しかも、酸素を含有させることで基板との密着性が高められる。ただし、酸素のみではシランガスとの反応して爆発を引き起こし易いので不活性な窒素も併存させるとよく、実際には一酸化窒素(NO)ガスなどを使用する。
光導電層4はa−Si以外に、Se、Se−Te、As2 Se3 などのSe合金、ZnO、CdS、CdSeなどのII−VI族化合物の粒子を樹脂に分散したもの、ポリビニルカルバゾール等の有機半導体材料などがあり、これでもって単層型とする。あるいは光導電層4を電荷発生層と電荷輸送層に分けた機能分離型にしてもよい。
そして、上記表面保護層5については、シリコンカーバイド(SiC)もしくはカーボン(C)からなるフッ素含有のアモルファス層により構成して、動的押し込み硬さを90kgf/mm2 以上、好適には150kgf/mm2 以上にして、さらにフッ素含有量を12〜35原子%に規定したことを特徴である。
すなわち、フッ素含有量は表面保護層5を構成する各種原子の全量に対し12〜35原子%、好適には18〜26原子%にするとよく、12原子%未満の場合には画像流れが発生し、35原子%を超えると結合状態において終端部が増え、原子間のネットワークが少なくなり、C−C、Si−Si、Si−Cというような原子間結合が減少し、これによって膜強度が弱くなり、その結果、膜削れおよびキズが発生する。
しかも、本発明においては、フッ素含有量を規定するとともに、硬度を高めることが重要である。すなわち、上述のようにフッ素を12〜35原子%にまで多く含有させる処理(フッ素を含むガスのプラズマ化)をおこなって、表面をエッチングすると、その表面の硬度にバラツキが生じやすくなり、低い硬度になる場合もあり、そこで、原料ガスを希釈ガスでもって希釈させたり、高周波電力を高くする、というような製造条件でもって動的押し込み硬さを90kgf/mm2以上にまで高めている。さらに一回のエッチング量を少なくすることで、膜強度のバラツキを小さくするとともに、硬度を高めている。
本発明にて規定する動的押し込み硬さは島津製作所製の超微小硬度計DYNAMICULTRA MICRO HARDNESS TESTER (DUH−201・202)を使用してダイナミック硬さでもって表す。この測定方法によれば、電磁石により圧子(三角すい圧子)を試料に押しつけ、この押圧力を0.1gの荷重まで一定の割合で増加させ、圧子が試料に侵入していく過程で、圧子の試料への侵入深さを自動計測するものであって、その際に生じるくぼみの大きさを顕微鏡にて測定し、塑性変形分から硬さの値を得る。
かくして上記構成のように表面保護層5の動的押し込み硬さを90kgf/mm2 以上であり、フッ素含有量を12〜35原子%にしたことで、優れた耐刷性が得られ、紙などでもって擦れる度合いが著しく低減し、これによって優れた耐久性が得られ、画像流れが発生しない高性能な感光体となった。
表面保護層5の形成方法つぎに上記構成の表面保護層5の形成方法を図3により述べる。図3(イ),(ロ),(ホ)は表面保護層5の形成方法を示す各工程図である。
〔表面保護層5の形成方法について〕以下、図3の各工程(イ),(ロ),(ホ)を述べる。
(イ)工程:光導電層4の上にグロー放電法によりシリコンカーバイド(SiC)もしくはカーボン(C)からなるアモルファス層6aを成膜形成する。
(ロ)工程:フッ素を含むガスによりエッチング処理する。このエッチング処理はCF4 ガス、NF3 ガス、SF6 ガス、C2 F6 ガス、F2 ガス、ClF3 ガス、CHF3 ガス、CH2 F2 ガス、CH3 Fガスなどのガスを用いて、たとえばCF4 ガスを使用した場合であれば、真空度0.35torr、基板温度270℃、高周波電力200Wという条件でもってプラズマ化し、これによってアモルファス層6aの表面から内部に漸次フッ素を侵入させると同時に、表面がエッチングされる。6bはアモルファス層6aのうちフッ素が侵入していない領域(フッ素未侵入領域)、6cはフッ素化領域、6dはアモルファス層6aのうち上層領域のエッチング処理された領域(エッチング領域)である。なお、(ロ)工程のエッチング処理によりフッ素化領域6cが形成されるが、フッ素未侵入領域6bが残存する程度にエッチング処理を進める。
また、エッチングレートが膜質に影響することもわかり、エッチングレートを50〜500Å/分、好適には100〜250Å/分に規定することで、膜表面に対するダメージが小さくなり、膜剥がれや画像欠陥等が発生しなくなるとともに、十分にフッ素化処理される。
フッ素化領域6cにおいては、エッチング処理されたことで、水素原子がフッ素原子に置換されたり、終端部にフッ素原子が結合し、C−F、C−F2 、C−F3 などの官能基が生成され、とくにC−F2 が多く生成される。そして、これらの生成物は疎水性を高めるのに顕著な効果がある。これら各官能基の量はフーリエ変換赤外分光光度計により測定する。
(ホ)工程にて、(イ)工程および(ロ)工程を一サイクルとして、このサイクルを繰り返すことでフッ素化領域6cとフッ素未侵入領域6bとを交互に積層させ、表面保護層5をなす。
かくして表面保護層5の形成方法によれば、結合エネルギの大きなC−F系の官能基が形成されることで、表面自由エネルギが大幅に小さくなり、耐酸化性に優れ、これにより、放電生成物が付着されにくくなり、現像剤に働く力がほとんど静電引力となって転写性が改善され、その結果、画像流れが発生しなくなった。そして、放電生成物がわずかに付着されても、表面硬度が高くなったことで、クリーニング手段や紙などでもって容易にクリーニングができ、トナーの付着を抑制したり、防止することができる。
また、(ロ)工程のエッチング処理が長くなると、フッ素化領域6cの表面が荒れ、これによって膜の密着性が劣ったり、電子写真特性が低下する傾向にあり、そのためにアモルファス層6aの膜厚を小さくし、さらにエッチング処理時間を短くすることで、膜厚の小さいフッ素化アモルファス層6eを成膜形成し、このようなフッ素化アモルファス層6eを積層することで、個々のフッ素化アモルファス層6eの表面粗さを小さくして、膜の密着性が高めたり、電子写真特性を向上できるので、2層〜15層〔(ニ)工程におけるサイクル数:2〜15〕、最適には3層〜10層〔(ニ)工程におけるサイクル数:3〜10〕のフッ素化アモルファス層6eを積層することで表面保護層5を構成する。
表面保護層5の形成方法において、アモルファス層6aの膜厚を0.01〜1μm、好適には0.05〜0.5μmにするとよく、この範囲内であれば、適度な量でもってエッチングされ、膜全体に対しフッ素化が容易になるという点でよい。
フッ素化領域6cについても、膜厚を0.005〜0.5μm、好適には0.03〜0.3μmにするとよく、この範囲内であれば、耐久性および電位特性の双方を高めるという点でよい。
そして、このように成膜した表面保護層5の膜厚を0.1〜1.5μm、好適には0.2〜1.0μmにするとよく、この範囲内であれば、耐久性および電位特性の双方を高めるという点でよい。
さらに形成方法については、フッ素未侵入領域6bの膜厚を0.001〜0.05μm、好適には0.001〜0.01μmにするとよく、この範囲内であれば、適度な量でもってエッチングされて均等な膜厚が得られ、安定した膜厚となり、しかも、画像流れが発生しなくなるという点でよい。
〔アモルファス層6aの材質について〕(イ)工程にて成膜形成するアモルファス層6aはシリコンカーバイド(SiC)またはカーボン(C)からなるが、a−C膜はa−SiC膜に比べて硬度が小さいことから、a−SiC膜にて形成するのがよい。そのために原子組成比率SiX C1-X のX値を0.5以下、好適には0.3以下、最適には0.1以下にするとよい。そして、このようにSiを減少させたままで含有させることで耐コロナ性が向上する。ただし、a−C膜については、ガス希釈することで硬度を大きくすることができるが、a−SiC膜にて得られる程度の硬度が得られない。
画像形成装置の構成図2は本発明の感光体を搭載したプリンター構成の画像形成装置7であり、8は感光体であり、この感光体8の周面にコロナ帯電器9と、その帯電後に光照射する露光器10(LEDヘッド)と、トナー像を感光体8の表面に形成するためのトナー11を備えた現像機12と、そのトナー像を被転写材13に転写する転写器14と、その転写後に感光体表面の残留トナーを除去するクリーニング手段15と、その転写後に残余静電潜像を除去する除電手段16とを配設した構成である。また、17は被転写材13に転写されたトナー像を熱もしくは圧力により固着するための定着器である。
このカールソン法は次の(a)〜(f)の各プロセスを繰り返し経る。(a)感光体8の周面をコロナ帯電器9により帯電する。(b)露光器10により画像を露光することにより、感光体8の表面上に電位コントラストとしての静電潜像を形成する。(c)この静電潜像を現像機12により現像する。この現像により黒色のトナーが静電潜像との静電引力により感光体表面に付着し、可視化する。(d)感光体表面のトナー像を紙などの被転写材13の裏面よりトナーと逆極性の電界を加えて、静電転写し、これにより、画像を被転写材13の上に得る。(e)感光体表面の残留トナーをクリーニング手段15により機械的に除去する。(f)感光体表面を強い光で全面露光し、除電手段16により残余の静電潜像を除去する。
なお、画像形成装置7はプリンターの構成であるが、露光器10に代えて原稿からの反射光を通すレンズやミラーなどの光学系を用いれば、複写機の構成の画像形成装置となる。
また、この画像形成装置7には通常の乾式現像を用いているが、その他、湿式現像に使用される液体現像剤にも適用される。
1、8 感光体
2 導電性基板
3 電荷注入阻止層
4 光導電層
5 表面保護層
6a アモルファス層
6b フッ素未侵入領域
6c フッ素化領域
6d エッチング領域
6e フッ素化アモルファス層
7 画像形成装置
9 コロナ帯電器
10 露光器
12 現像機
14 転写器
15 クリーニング手段
16 除電手段
17 定着器
2 導電性基板
3 電荷注入阻止層
4 光導電層
5 表面保護層
6a アモルファス層
6b フッ素未侵入領域
6c フッ素化領域
6d エッチング領域
6e フッ素化アモルファス層
7 画像形成装置
9 コロナ帯電器
10 露光器
12 現像機
14 転写器
15 クリーニング手段
16 除電手段
17 定着器
Claims (7)
- 導電性基板上に表面保護層を含む積層構造が形成されてなる感光体であって、
前記表面保護層は、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなる第1領域、および、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンにフッ素を含有してなる第2領域を交互に複数形成してなることを特徴とする、感光体。 - 前記表面保護層における前記第1領域の膜厚は、前記表面保護層における前記第2領域の膜厚より小さい、請求項1に記載の感光体。
- 前記表面保護層における前記第1領域の膜厚は0.001〜0.05μmであり、前記表面保護層における前記第2領域の膜厚は0.005〜0.5μmである、請求項1または2に記載の感光体。
- 導電性基板上に光導電層を含む積層構造が形成されてなる感光体の該光導電層に対して、シリコンカーバイトもしくはカーボンからなるアモルファス層をグロー放電法により形成する第1工程と、
プラズマ化したフッ素含有ガスにより、前記アモルファス層の一部にエッチング処理を施すとともに該アモルファス層の一部にフッ素を侵入させる第2工程と、
前記第1工程および第2工程を繰り返すことにより、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンからなる第1領域、および、アモルファスシリコンカーバイドもしくはアモルファスカーボンにフッ素を含有してなる第2領域を交互に複数形成する第3工程と、を含むことを特徴とする、感光体の製法。 - 前記アモルファス層の膜厚は0.05〜0.5μmである、請求項4に記載の感光体の製法。
- 前記第2領域におけるフッ素の含有量は12〜35原子%である、請求項4または5に記載の感光体の製法。
- 請求項1から3のいずれか一つに記載の感光体、あるいは、請求項4から6のいずれか一つに記載の製法により作製される感光体と、
前記感光体に電荷を付与する帯電手段と、
前記帯電手段により電荷が付与される前記感光体の帯電領域に対して光を照射する露光手段と、
前記帯電手段および前記露光手段により前記感光体に形成される静電潜像に対して、トナー像を該感光体に形成する現像手段と、
被転写材に前記トナー像を転写する転写手段と、
前記感光体に残留するトナーを除去するクリーニング手段と、
前記感光体に残る残余静電潜像を除去する除電手段と、を備えることを特徴とする、画像形成装置。
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EP2862955A1 (en) * | 2013-10-15 | 2015-04-22 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Method and apparatus of growing metal-free and low stress thick film of diamond-like carbon |
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