JP2007170949A - 表面電位分布測定方法、表面電位分布測定装置、潜像担持体及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の表面電位分布を精度良く測定することができる表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置を提供する。
【解決手段】試料を介した荷電粒子を検出効率が互いに異なる複数の条件で検出する（ステップ５０５〜ステップ５１７）。これにより、試料を介した荷電粒子量が走査位置に依存して変化しても、表面電位に関する情報をムラなく取得することができる。従って、試料の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は、表面電位分布測定方法、表面電位分布測定装置、潜像担持体及び画像形成装置に係り、更に詳しくは、荷電粒子ビームを走査して試料の表面電位分布を測定する表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置、該表面電位分布測定装置によって評価された潜像担持体、及び該潜像担持体を備える画像形成装置に関する。

レーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置では、画像情報に応じて変調された光源からの光を走査光学系などを介して感光体上に集光させるとともに、所定の方向（主走査方向）に走査させ、感光体上に静電潜像を形成している。そして、その静電潜像にトナーを付着させ、該トナーを紙などに転写して出力画像としている。

感光体上に形成される静電潜像は、出力画像の品質に大きく影響する。そこで、感光体上に形成された静電潜像を評価する方法及び装置が種々提案されている。そして、その評価結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、出力画像の品質向上を図っている。

例えば、特許文献１には、試料面を電子ビームで走査し、該走査で放出される二次電子を用いて静電潜像を観察する方法が提案されている。しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、観察の準備に時間を要するため、試料が通常の誘電体のように電荷を半永久的に保持することができるものであれば観察可能であるが、通常の感光体では、電荷を長時間保持することができないため、例えば、観察の準備段階で静電潜像が消失してしまい、正確な観察は不可能である。

そこで、出願人は、電荷を長時間保持することができない感光体であっても静電潜像を測定する方式を提案した(例えば、特許文献２〜特許文献５参照)。

ところで、近年、画像情報のデジタル化が急速に進み、画像形成装置の出力画像の更なる高品質化への要求が年々高くなっている。これに伴い、静電潜像の評価精度の更なる向上が望まれている。

特開平３−４９１４３号公報 特開２００３−２９５６９６号公報 特開２００３−３０５８８１号公報 特開２００４−２５１８００号公報 特開２００４−２３３２６１号公報

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、試料の表面電位分布を精度良く測定することができる表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、静電潜像を精度良く担持することができる潜像担持体を提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、高品質の画像を形成することができる画像形成装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、荷電粒子ビームで走査して試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定方法であって、前記試料を介した荷電粒子を検出効率が互いに異なる複数の条件で検出する工程を、含む表面電位分布測定方法である。

これによれば、試料を介した荷電粒子は、検出効率が互いに異なる複数の条件で検出されるため、例えば試料を介した荷電粒子量が走査位置に依存して変化しても、表面電位に関する情報をムラなく取得することができる。従って、試料の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、荷電粒子ビームを走査して試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定装置であって、前記荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と；前記ビーム発生装置と試料との間に配置され、前記ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを前記試料表面に集束する光学系と；前記試料を介した荷電粒子の少なくとも一部が取り込まれ、その検出効率を変更することが可能な検出装置と；前記検出効率が互いに異なる条件での前記検出装置の複数の検出結果に基づいて、前記試料の表面電位の分布状態を求める処理装置と；を備える表面電位分布測定装置である。

これによれば、処理装置により、検出効率が互いに異なる条件での検出装置の複数の検出結果に基づいて、試料の表面電位の分布状態が求められる。この場合に、例えば試料を介した荷電粒子量が走査位置に依存して変化しても、表面電位に関する情報をムラなく取得することができる。従って、試料の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。

本発明は、第３の観点からすると、本発明の表面電位分布測定装置で表面電位分布が測定され、その測定結果から得られた耐絶縁性又は解像度が予め設定されている条件を満足している潜像担持体である。

これによれば、耐絶縁性又は解像度が予め設定されている条件を満足しているため、静電潜像を精度良く担持することが可能となる。

本発明は、第４の観点からすると、本発明の潜像担持体と；前記潜像担持体に対して光を走査する光走査装置と；前記潜像担持体に形成された像を転写対象物に転写する転写装置と；を備える画像形成装置である。

これによれば、本発明の潜像担持体を備えているため、高品質の画像を形成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１１（Ｃ）に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る表面電位分布測定装置１００の概略構成が示されている。

図１に示される表面電位分布測定装置１００は、電子銃１０、筐体３０、コンデンサレンズ（静電レンズ）３５、ビームブランキング電極３７、アパーチャ５１、スティグメータ５３、走査レンズ（偏向電極）５５、対物レンズ５７、試料台８１、検出器９１、制御系３、排出系８３及び駆動用電源（図示省略）などを備えている。

電子銃１０は、電子ビームを放出する。この電子銃１０は、エミッタ１１、引き出し電極３１、及び加速電極３３などを有している。引き出し電極３１は、エミッタ１１の−Ｚ側に配置され、エミッタ１１に強電界を発生させるための電圧が印加される。これにより、エミッタ１１の先端から電子ビームが放出される。なお、本実施形態では、−Ｚ方向に向けて電子ビームが放出されるものとする。加速電極３３は、引き出し電極３１の−Ｚ側に配置され、エミッタ１１から放出された電子ビームに所望のエネルギを与えるための電圧（加速電圧Ｖaccとする。）が印加される。

コンデンサレンズ３５は、加速電極３３の−Ｚ側に配置され、電子ビームを細く絞る。

ビームブランキング電極３７は、コンデンサレンズ３５の−Ｚ側に配置され、電子ビームをオン／オフする。

アパーチャ５１は、ビームブランキング電極３７の−Ｚ側に配置され、ビームブランキング電極３７からの電子ビームのビーム径を規定する。

スティグメータ５３は、アパーチャ５１の−Ｚ側に配置され、非点収差を補正する。

走査レンズ５５は、スティグメータ５３の−Ｚ側に配置され、スティグメータ５３からの電子ビームを偏向する。

対物レンズ５７は、走査レンズ５５の−Ｚ側に配置され、走査レンズ５５からの電子ビームをビーム射出開口部６１を介して試料７１の表面に集束する。

以下では、コンデンサレンズ３５、ビームブランキング電極３７、アパーチャ５１、スティグメータ５３、走査レンズ５５、及び対物レンズ５７を含む光学系を電子ビーム光学系５ともいう。

試料台８１は、その上に試料７１が載置され、不図示の駆動機構によりＸＹ面内で２次元的に移動可能である。この試料台８１は導電性を有しており、接地されている。

検出器９１は、試料７１の近傍に配置され、試料７１から放出された二次電子を取り込む。この検出器９１は、一例として図２に示されるように、試料７１から放出された二次電子が入射するシンチレータ（蛍光体）９１ａと、該シンチレータ９１ａからの光を増倍する光電子増倍管９１ｂとを有している。図２におけるＶpullはシンチレータ９１ａからの引き込み電圧であり、Ｖgaは光電子増倍管９１ｂのバイアス電圧である。試料７１から放出された二次電子はエネルギーが低いためシンチレータ９１ａの表面に印加した高電圧の電界の影響で加速され、光に変換される。この光は、ライトパイプを通って光電子倍増管９１ｂで電流として増幅され電流信号として取り出される。

図３には光電子増倍管９１ｂの断面が示されている。光電子増倍管９１ｂの光電面（陰極）から放出された光電子は、第１ダイノードに衝突し、その数倍の二次電子を放出する。その二次電子は後続のダイノードでさらに増倍を繰り返し、陽極に達したときは、１０^４〜１０^７倍に増幅される。

ダイノード一段当たりの二次電子放出率δは、次の（１）式で示される。ここで、Ｖdiはダイノード間の印加電圧、αはダイノードの形状及び材質によって決まる値であり、通常０．７〜０．８である。また、Ａは定数である。

δ＝Ａ×Ｖdi^α ……（１）

ｎ段のダイノードを有し、陰極と陽極との間に電圧Ｖallが印加されたときのゲインμは、次の（２）式で示される。Ｋは定数である。電圧Ｖallとゲインμとの関係が、一例として図４に示されている。わずかな電圧差で大きな利得変化を得ることができる。表面電位の絶対値が数百Ｖ〜数ｋＶ以上になると、検出信号強度が５倍以上と極端に変化する場合がある。このように検出効率が５倍以上も差があるときにも電圧Ｖallの変化は数百Ｖ程度で良いため、コントラストが極端に変化する場合であっても対応可能である。

μ＝Ｋ×Ｖall^αｎ ……（２）

上記電子銃１０、電子ビーム光学系５、試料台８１及び検出器９１は、筐体３０内に収容されている。

排気系８３は、複数の排気装置から構成され、筐体３０内を高真空状態にする。ここでは、筐体３０の下方（−Ｚ側）から排気しているが、これに限定されるものではない。また、複数個所から排気しても良い。

制御系３は、コンピュータ、入力装置、表示装置及びプリンタ装置などを有している。そして、コンピュータは、あらかじめインストールされているプログラムにしたがって、電子銃１０、電子ビーム光学系５、試料台８１、及び排気系８３などをそれぞれ制御するとともに、検出器９１の出力信号に基づいて試料７１の表面電位分布を求める。なお、本実施形態では、一例として試料７１の表面電位ポテンシャルは負であるものとする。

ところで、試料７１の表面に電荷分布があると、該電荷分布に応じた電界分布が空間に形成される。このため、入射電子によって発生した二次電子はこの電界によって押し戻され、検出器９１に到達する量が減少する。従って、電荷リーク箇所は、露光部が黒、非露光部が白となり、表面電荷分布に応じたコントラスト像を得ることができる。図５（Ａ）は、検出器９１と試料７１との間の空間における電位分布を等高線で示したものである。試料７１の表面は、光減衰により電位が減衰した部分を除いては負極性に一様に帯電した状態であり、検出器９１には正の電位が与えられているので、実線で示された電位等高線群においては、試料７１の表面から検出器９１に近づくにつれて電位が高くなる。従って、試料７１における負に均一帯電している部分である図５（Ａ）におけるＱ１点で発生した二次電子ｅｌ１、及びＱ２点で発生した二次電子ｅｌ２は、検出器９１の正電位に引かれ、矢印Ｇ１及び矢印Ｇ２で示されるように変位し、検出器９１に捕獲される。一方、図５（Ａ）におけるＱ３点は、光照射されて負電位が減衰した部分であり、Ｑ３点近傍では電位等高線の配列は破線で示す如くであり、この部分電位分布ではＱ３点に近いほど電位が高くなっている。換言すると、Ｑ３点の近傍で発生した二次電子ｅｌ３には、矢印Ｇ３で示すように、試料７１側に拘束する電気力が作用する。このため二次電子ｅｌ３は、破線の電位等高線の示す「ポテンシャルの穴」に捕獲され、検出器９１に向って移動しない。図５（Ｂ）は、上記「ポテンシャルの穴」を模式的に示している。すなわち、検出器９１により検出される二次電子の強度（二次電子数）は、強度の大きい部分が「静電潜像の地の部分（均一に負帯電している部分、図５（Ａ）の点Ｑ１やＱ２に代表される部分）」に対応し、強度の小さい部分が「静電潜像の画像部（光照射された部分、図５（Ａ）の点Ｑ３に代表される部分）」に対応することになる。

従って、検出器９１の出力信号を適当なサンプリング時間でサンプリングすれば、サンプリング時刻をパラメータとして、表面電位分布をサンプリングに対応した微小領域毎に特定できる。そして、例えば、捕獲される二次電子の強度を明るさの強弱で表現すれば、静電潜像の画像部分は暗く、地の部分は明るく、コントラストがつき、表面電荷分布に応じた明暗像として表現（出力）することができる。さらに、表面電位分布から表面電荷分布を知ることができる。

次に、前述のように構成される表面電位分布測定装置１００を用いて、試料７１の表面電位分布を測定する方法について図６〜図１１（Ｃ）を用いて説明する。図６のフローチャートは、オペレータによって行われる処理であり、図７のフローチャートは、制御系３を構成するコンピュータによって行われる処理である。なお、試料７１の表面はＸＹ面内を２次元的に走査されるものとする。

最初のステップ４０１では、試料台８１に潜像が形成されている試料７１を載置する。

次のステップ４０３では、排気系８３を稼動させ、筐体３０内を高真空状態とする。

次のステップ４０５では、制御系３のコンピュータに表面電位分布の測定を指示する。そして、オペレータによって行われる処理は終了する。

制御系３のコンピュータは、表面電位分布の測定の指示を受けると、最初のステップ５０１では、加速電圧Ｖaccを変化させた回数が格納されるカウンタｉに初期値１をセットする。

次のステップ５０３では、加速電圧Ｖaccを予め設定されている初期値にセットする。

次のステップ５０５では、検出器９１での信号検出条件を変化させた回数が格納されるカウンタｊに初期値１をセットする。

次のステップ５０７では、最初の信号検出条件をセットする。ここでは、一例として図８（Ａ）に示されるように、シンチレータ９１ａからの引き込み電圧ＶpullをＶp1からＶpNまで変化させるものとする。引き込み電圧Ｖpullを変えると、試料７１から検出器９１に至る電場を変える事ができる。引き込み電圧Ｖpullを上げると検出器９１に到達する二次電子の量が増大する。具体的には、１〜１５ｋＶの範囲内で設定する。

ところで、検出器９１に到達する二次電子量は、試料７１の電場の影響により、検出器９１に近い側と検出器９１から遠い側とで極端に異なる。その結果本来は均一の電位条件であっても感度むらを生じ、従来のように信号検出条件が一定の場合には、実際の電位コントラストの情報なのか、単なる検出感度むらなのかの区別がつきにくい（図９参照）。検出器９１に近い側の感度を最適にすると、検出器９１から遠い側が暗くなり、検出器９１から遠い側を最適にすると、検出器９１に近い側の輝度が明るすぎてしまう（図１０参照）。

なお、一例として図８（Ｂ）に示されるように、引き込み電圧ＶpullをＶpNからＶp1まで変化させても良いし、一例として図８（Ｃ）に示されるように、二次電子検出信号のバイアスレベル（ブライトネスともいう）をＶb1からＶbNまで変化させても良い。また、一例として図８（Ｄ）に示されるように、前記ＶallをＶa1からＶaNまで変化させ、光電子増倍管９１ｂのゲインμを変化させても良い。この場合には、各フレームでのゲインμの差を少なくとも５倍とする。

次のステップ５０９では、電子ビームの走査を開始する。

次のステップ５１１では、検出器９１を介して試料７１から放出された二次電子を検出する。電子ビームの走査が完了するとステップ５１３に移行する。

このステップ５１３では、カウンタｊの値が予め設定されている値Ｎ（２以上の整数）と等しいか否かを判断する。カウンタｊの値がＮと等しくなければ、ここでの判断は否定され、ステップ５１５に移行する。

このステップ５１５では、カウンタｊの値に１を加算する。

次のステップ５１７では、次の信号検出条件をセットする。そして、前記ステップ５０９に戻る。

以下、ステップ５１３での判断が肯定されるまで、ステップ５０９〜ステップ５１７の処理を繰り返し行う。

そして、カウンタｊの値がＮと等しくなると、上記ステップ５１３での判断は肯定され、ステップ５２１に移行する。

このステップ５２１では、検出器９１から得られたＮ個の検出信号を平均化する。

次のステップ５２３では、平均化された検出信号に基づいてコントラスト像を取得する（図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）参照）。コントラスト像における白い領域は検出器９１での検出量が多い領域であり、黒い領域は検出器９１での検出量が少ない領域を示している。

次のステップ５２５では、コントラスト像に対して２値化処理を行い、２値化データを取得する。例えばＸ軸方向及びＹ軸方向についての表面電位の分布状態を測定する場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向について２値化データを取得する。

次のステップ５２７では、２値化データに基づいて潜像の径を算出する。例えばＸ軸方向及びＹ軸方向についての表面電位の分布状態を測定する場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向について潜像の径を算出する。ここで算出された潜像の径は、加速電圧Ｖaccに対応付けて不図示のメモリに保存する。

次のステップ５２９では、カウンタｉの値が予め設定されている値Ｍ（２以上の整数）と等しいか否かを判断する。カウンタｉの値がＭと等しくなければ、ここでの判断は否定され、ステップ５３１に移行する。

このステップ５３１では、カウンタｉの値に１を加算する。

次のステップ５３３では、現在の加速電圧Ｖaccの値に予め設定されている増分（Δｖとする）を加算する。そして、上記ステップ５０５に戻る。

以下、ステップ５２９での判断が肯定されるまで、ステップ５０５〜ステップ５３３の処理を繰り返し行う。

そして、カウンタｉの値がＭと等しくなると、上記ステップ５２９での判断は肯定され、ステップ５４１に移行する。

このステップ５４１では、前記メモリに保存されている表面電位分布を示すデータ（加速電圧Ｖacc毎の潜像の径）に基づいて、一例として図１１（Ｃ）に示されるように、表面電位分布プロファイルを算出する。

次のステップ５４３では、算出結果を表示装置に表示する。そして、表面電位分布の取得処理を終了する。なお、図１１（Ｃ）にはＸ軸方向における電位分布プロファイルが示されている。ここでは、表示装置に表示される電位分布プロファイルの方向について、オペレータが指示することができる。そして、電位分布プロファイルを３次元的に表示することも可能である。さらに、算出結果をプリンタ装置で印刷することもできる。また、オペレータの要求により、更に上記測定結果に基づいて、試料７１の表面電荷分布、及び表面電荷分布プロファイルを求めても良い。

ここで、試料７１としての感光体が用いられる場合に、該感光体の表面に静電潜像を形成する方法の一例について説明する。感光体は、一例として図１２（Ａ）に示されるように、導電性支持体の上に下引き層（以下、「ＵＬ」という。)、電荷発生層（以下、「ＣＧＬ」という。)、電荷輸送層(以下、「ＣＴＬ」という。)が、順に積層されている。感光体表面が帯電され電荷（以下、「帯電電荷」ともいう。）が存在する状態で露光されると、一例として図１２（Ｂ）に示されるように、ＣＧＬの電荷発生材料によって光が吸収され、正負両極性のチャージキャリアが発生する。このキャリアは、電界によって、一方はＣＴＬに、他方は導電性支持体に注入される。ＣＴＬに注入されたキャリアは、ＣＴＬ中を電界によってＣＴＬ表面にまで移動し、感光体表面の電荷と結合して消滅する（図１２（Ｃ）参照）。なお、ＵＬは、いわゆるホールブロック層であり、導電性支持体からの電荷注入を阻止する働きがある。これにより、感光体表面に電荷分布すなわち静電潜像が形成される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る表面電位分布測定装置１００では、制御系３を構成するコンピュータ及び該コンピュータにて実行されるプログラムによって、処理装置が実現されている。なお、コンピュータによるプログラムに従う処理によって実現した処理装置の少なくとも一部をハードウェアによって構成することとしても良いし、あるいは全てをハードウェアによって構成することとしても良い。

また、本実施形態では、電子銃１０によってビーム発生装置が実現され、電子ビーム光学系５によって光学系が実現され、検出器９１によって検出装置が実現されている。そして、光電子増倍管９１ｂによって増幅手段が実現されている。

そして、上記表面電位分布の取得処理において、本発明の表面電位分布測定方法が実施されている。

以上説明したように、本実施形態に係る表面電位分布測定装置１００によると、電子ビームを発生する電子銃１０と、該電子銃１０と試料７１との間に配置され、電子銃１０からの電子ビームを試料７１表面に集束する電子ビーム光学系５と、試料７１からの二次電子の少なくとも一部が取り込まれ、その検出効率を変更することが可能な検出器９１と、検出効率が互いに異なる条件での検出器９１の複数の検出結果に基づいて、試料７１の表面電位の分布状態を求める制御系３とを備えている。これにより、試料７１からの二次電子量が走査位置に依存して変化しても、表面電位に関する情報をムラなく取得することができる。従って、試料の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。

なお、上記実施形態において、一例として図１３に示されるように、その表面に電子が衝突すると、二次電子を放出する電子放出板９３を更に設けても良い。この電子放出板９３は、入射電子が通過可能な開口部を有し、電子ビーム光学系５と試料７１との間であって、電子ビーム光学系５の光軸に対して３０度以上の見込み角をカバーするように、試料７１に対向して配置されている。これにより、試料７１からの二次電子の多くが電子放出板９３に一度当たることになる。そして、電子放出板９３から放出される二次電子が、検出器９１に到達することで、検出精度を上げることができる。また、多くの二次電子が電子放出板９３に衝突するため、測定領域全体の感度を均一に保つことができる。さらに、電子ビーム光学系５の光軸に対して見込み角が対称であるため、画像品質を向上させることができる。

また、この場合に、一例として図１４に示されるように、電子放出板９３は、磁性体のシャフトを有していても良い。これにより、外部磁場の影響を抑えて入射電子の曲がりを抑制することができる。また、電子放出板９３が試料７１に近づく構成となるため、同一面積であっても見込み角を広げることができる。

また、上記実施形態では、加速電圧Ｖaccを変化させる場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、試料７１にバイアス電圧（Ｖsubとする）が印加されるようにし、加速電圧Ｖaccを一定として、バイアス電圧Ｖsubを変化させても良い。具体的には、一例として図１５に示されるように、試料台８１上に電極８５を形成し、該電極８５にＶsubを印加する電源８６を更に設けても良い。これにより、例えば、Ｖacc＝−１８００Ｖ、Ｖsub＝−１２００Ｖのときには、上記実施形態におけるＶacc＝−６００Ｖのときとほぼ同じコントラスト像が得られる。また、Ｖacc＝−１８００Ｖ、Ｖsub＝−１０５０Ｖのときには、上記実施形態におけるＶacc＝−７５０Ｖのときとほぼ同じコントラスト像が得られる。

また、上記実施形態では、二次電子に基づいて表面電位分布を求める場合について説明したが、これに限らず、試料７１の表面に到達する前に、試料７１の表面近傍で反発された電子（以下、「一次反発電子」ともいう）に基づいて表面電位分布を求めても良い。

ここで、試料７１に照射される電子（以下、「入射電子」ともいう。）の加速電圧Ｖaccと試料７１の表面電位ポテンシャルとの関係について図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）を用いて説明する。図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）は、わかりやすくするために簡略化されている。ここでは、試料７１の表面における入射電子が照射される位置での表面電位ポテンシャルをＶp（＜０）とする。そこで、Ｂ地点と試料７１の表面との間に電圧Ｖpが印加されているとみなすことができる。また、図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）では、電位を単位電荷が持つ電気的な位置エネルギーとして図示している。

入射電子は、電位ポテンシャルが０（Ｖ）の区間（ＡＢ間）では、表面電位ポテンシャルＶpの影響を受けることなく、加速電圧Ｖaccに対応する速度で試料７１の表面に向かう方向（−Ｚ方向）に移動する。そして、Ｂ地点を過ぎると、入射電子は表面電位ポテンシャルＶpの影響を受けるようになる。

入射電子に対する表面電位ポテンシャルＶpの影響は、加速電圧Ｖaccと表面電位ポテンシャルＶpとの大小関係によって大きく異なっている。

（１）｜Ｖacc｜＞｜Ｖp｜の場合
この場合には、図１６（Ａ）に示されるように、入射電子は、Ｂ地点を過ぎるとその速度は徐々に減速されるものの、ほとんどの入射電子は試料７１の表面に到達する。従って、一例として図１７（Ａ）に示されるように、検出器９１では、一次反発電子は検出されない。

（２）｜Ｖacc｜＞｜Ｖp｜の場合
この場合には、図１６（Ｂ）に示されるように、入射電子は、Ｂ地点を過ぎるとその速度は徐々に減速され、試料７１の表面に到達する前に０となる。そして、そこを起点として、試料７１の表面から離れる方向（＋Ｚ方向）に進む。すなわち、入射電子のＺ軸方向の速度ベクトルが、試料７１の表面に到達する前に反転し、入射電子は試料７１の表面に到達せずに戻ることとなる。この試料７１の表面に到達しなかった入射電子の一部が、一例として図１７（Ｂ）に示されるように、一次反発電子として検出器９１で検出される。また、電子放出板９３に向かう一次反発電子は、電子放出板９３に衝突して二次電子を放出させ、該二次電子が検出器９１で検出される。

なお、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで観察や分析などに利用されている「反射電子」は、「試料最表面や少し内部で散乱し、そのうちの一部の電子が空間に脱出したもの」であり（日本表面科学会編「表面分析辞典」ｐ２３５、共立出版株式会社、１９８６年発行）、本明細書における「一次反発電子」とは全く異なるものである。

また、上記実施形態では、潜像が形成された試料を表面電位分布測定装置にセットする場合について説明したが、表面電位分布測定装置内で試料に潜像を形成しても良い。この場合には、表面電位分布測定装置が潜像を形成する機能を有することとなる。これにより、リアルタイムでの表面電位分布測定が可能となる。

一例として、図１８に潜像を形成する機能を有する表面電位分布測定装置２００が示されている。この表面電位分布測定装置２００は、試料７１の表面を光で走査し、潜像のパターンを形成するパターン形成装置２２０が、上記実施形態における表面電位分布測定装置１００に付加されたものである。なお、図１８では、制御系が省略されている。

図１８におけるパターン形成装置２２０は、半導体レーザ２０１、コリメートレンズ２０３、アパーチャ２０５、及び３つのレンズ（２０７、２０９、２１１）からなる結像レンズなどを備えている。また、試料７１の近傍には、試料表面を除電するためのＬＥＤ２１３が配置されている。このパターン形成装置２２０及びＬＥＤ２１３は、不図示の制御系によって制御される。

表面電位分布測定装置２００における潜像の形成方法について簡単に説明する。

（１）ＬＥＤ２１３を点灯させ、試料７１の表面を除電する。

（２）電子銃１０から放出される電子ビームを用いて、試料７１の表面を均一に帯電する。ここでは、加速電圧を、二次電子放出比が1となる電圧より高い電圧に設定することにより、入射電子量が、放出二次電子量を上回るため電子が試料７１に蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、試料７１はマイナスに帯電することとなる。なお、加速電圧と照射時間とを制御することにより、所望の電位に帯電させることができる。

（３）半導体レーザ２０１を発光させる。半導体レーザ２０１からのレーザ光は、コリメートレンズ２０３で略平行光となり、アパーチャ２０５で規定のビーム径とされた後、結像レンズで試料表面に集光される。これにより、試料表面に潜像が形成される。

従って、表面電位分布測定装置２００では、電子銃１０、電子ビーム光学系５、パターン形成装置２２０及びＬＥＤ２１３によって潜像形成装置が構成されている。

ところで、感光体には、耐絶縁性が要求される。上記表面電位分布測定装置２００を用いて、試料７１が静電破壊を起こしているか否かを評価することができる。そして、静電破壊を起こしている場合に、どこで発生しているかを特定することもできる。すなわち、試料７１の耐絶縁性を評価することが可能である。

ＵＬが感光体の厚さ方向にかかる電界強度に耐えられなくなると、最も弱いところから電荷リークが発生し、ホール（正孔）が表面にまで達する。そうすると感光体表面のマイナス電荷と相殺されて、表面に電荷分布が生じることとなる。そこで、帯電された感光体を電子ビームで走査し、一次反発電子及び二次電子を検出することにより、静電破壊を起こしているか否か、及び静電破壊を起こしている場合に、どこで電荷リークが発生しているかをミクロンオーダーで特定することができる。

トナーの大きさは小さくても５μｍ程度であるため、５μｍ以上の電荷リークの発生がなければ、電荷リークの発生はないと考えて良い。そこで、画像形成装置に用いられる感光体では、その厚さ方向にかかる電界強度が１０Ｖ／μｍ以下のときに、５μｍ以上の電荷リークの発生がないことが、少なくとも必要である。

また、出力画像における地汚れを発生させないために、感光体の厚さ方向にかかる電界強度を３０Ｖ／μｍ以上かつ４０Ｖ／μｍ以下として、電荷を約１×１０^-8クーロン／ｍｍ²照射したときに、９９％以上の耐絶縁領域が存在することが必要である。

そこで、表面電位分布測定装置２００を用いて感光体の絶縁耐圧性能を評価する方法について図１９のフローチャートを用いて説明する。図１９のフローチャートは、制御系３のコンピュータによって行われる処理である。制御系３のコンピュータは、オペレータから感光体の絶縁耐圧性能の評価の指示を受けると、図１９のフローチャートに対応するプログラムの先頭アドレスをプログラムカウンタにセットする。

最初のステップ６０１では、感光体に電子ビームを照射し、帯電させる。ここでは、照射電流が１×１０^-９Ａ、照射面積が１．４７ｍｍ²、照射時間が４分間という条件で、感光体を帯電させる。すなわち、総電荷量は、１．６×１０^-７クーロン／ｍｍ²である。

次のステップ６０３では、感光体の表面を電子ビームで走査する。そして、走査中に検出器９１から出力される信号を不図示の作業用メモリに格納する。

次のステップ６０５では、走査が終了すると、作業用メモリに格納されている検出器９１の出力信号に基づいて、二次元画像マッピングを行う。

次のステップ６０７では、二次元画像マップに対して２値化処理を行う。

次のステップ６０９では、電荷リーク箇所を特定する。

次のステップ６１１では、電荷リーク面積を算出する。

次のステップ６１３では、算出結果を表示装置に表示する。そして、絶縁耐圧性能の評価処理を終了する。

電荷リークが発生している領域の面積率が小さいほど、耐絶縁性が高いといえる。一例として図２０に示される二次元画像マップの場合には、電荷リーク面積比は１．２％すなわち耐絶縁領域が８８．８％であり、地汚れが発生しやすい感光体であると評価できる。一方、一例として図２１に示される二次元画像マップの場合には、電荷リーク面積比は０．４％すなわち耐絶縁領域が９９．６％であり、耐絶縁性に優れた感光体であると評価できる。

また、表面電位分布測定装置２００のパターン形成装置２２０を、図２２に示されるように、一部変更し、パターン形成装置２２０´とすることにより、感光体の解像度を評価することも可能である。このパターン形成装置２２０´は、半導体レーザ２０１、コリメートレンズ２０３、アパーチャ２０５、及び結像レンズ２０６などを備えている。そして、アパーチャ２０５と結像レンズ２０６との間の光路上にマスクＭがセットされる。結像レンズ２０６におけるマスクＭの物体距離をＬ１、像距離をＬ２とすると、結像レンズ２０６の光軸に垂直な方向の結像倍率はＬ２／Ｌ１であり、この倍率に応じたマスクＭのパターン（以下、「マスクパターン」ともいう。）の像が試料７１の表面に結像される。すなわち、Ｌ１＝Ｌ２であれば、等倍である。また、結像レンズ２０６の光軸に対する試料７１の表面の傾き角をθ、結像レンズ２０６の光軸に対するマスクＭの傾き角をαとすると、Ｌ１×ｔａｎα＝Ｌ２×ｔａｎθの関係が成り立つ。

ここでは、マスクパターンは、一例として図２３に示されるように、３つの同一の長方形が所定ピッチで並列した基本パターンを、長方形の長手方向が互いに直交するように対とし、その対における長方形の大きさ及びピッチをそれぞれ段階的に異ならせた５組の基本パターン対（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）から構成されている。図２３において、白部は光透過部であり、黒部は遮光部である。

そして、同じ条件で帯電された２種類の感光体（感光体Ａ、感光体Ｂ）を試料として、それぞれ同じ条件でマスクパターンを各感光体に転写し、それぞれの電位コントラスト像を得た。感光体Ａから得られた電位コントラスト像の例（以下、「コントラスト像Ａ」とする。）が図２４（Ａ）に示され、感光体Ｂから得られた電位コントラスト像の例（以下、「コントラスト像Ｂ」とする。）が図２４（Ｂ）に示されている。このコントラスト像Ｂでは、基本パターン対Ｐ１及び基本パターン対Ｐ２の転写像において、いずれも長方形に対応する部分が互いに繋がり、分離されていない。従って、感光体Ｂの解像度は基本パターン対Ｐ３のレベルである。一方、コントラスト像Ａでは、パターンピッチの最も小さい基本パターン対Ｐ１の転写像において、各長方形に対応する部分が分離している。従って、感光体Ａの解像度は基本パターン対Ｐ１のレベル以上である。

このように、互いにピッチの異なる複数の基本パターン対を感光体に転写し、得られた電位コントラスト像から、感光体の解像度を識別・評価することができる。また、マスクパターンのサイズ、ピッチ及び形状等を適切に選択することにより、感光体に形成される静電潜像の特性を評価することが可能となる。

例えば、書き込み密度６００dpiの画像形成装置であれば、感光体の必要解像度４２．３μｍ（２５．４ｍｍ／６００）の解像度が必要であり、１２００dpiの画像形成装置であれば２１．２μｍの解像度が必要となる。従って、白黒のペアで４２．３μｍの２倍のパターンピッチを転写し、得られた電位コントラスト像においてパターンピッチを識別できれば、それが感光体の解像度と判断することができる。そこで、図２３において、Ｐ１の感光体上での幅を２１．２μｍ、Ｐ２の感光体上での幅を４２．３μｍとすれば、感光体Ａは、１２００dpiの画像形成装置に対応可能な解像度を有しているが、感光体Ｂは、６００dpiの画像形成装置に対応可能な解像度を有していないことがわかる。このように、解像度を把握して、設計にフィードバックすることにより、高密度書き込みが可能な感光体を得ることができる。

従って、耐絶縁性又は解像度が予め設定されている条件を満足する感光体を容易に取得することができる。そして、この感光体は、所望の静電潜像を精度良く担持することが可能となる。

また、上記実施形態では、試料が板状の場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば試料が円筒形状であっても良い。また、この場合に、一例として図２５に示される表面電位分布測定装置２５０のように、潜像形成装置を備えていても良い。この表面電位分布測定装置２５０は、上記実施形態における表面電位分布測定装置１００に潜像形成装置が付加されたものである。この潜像形成装置は、帯電部７５、露光部７６、及び除電部７７を有している。ここでは、試料７１の表面は、帯電部７５により帯電され、露光部７６により潜像が形成される。表面電位分布の測定後は、試料７１の表面は、除電部７７で除電される。この場合に、試料がレーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置に用いられる感光ドラムであれば、表面電位分布の測定結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、画像形成に関する各工程のプロセスクォリティが向上し、高画質化、高耐久性、高安定性、及び省エネルギー化が実現できる。

また、この場合に、露光部７６は、一例として図２６に示されるように、半導体レーザ１１０、コリメートレンズ１１１、アパーチャ１１２、シリンダレンズ１１３、２つの折り返しミラー（１１４、１１８）、ポリゴンミラー１１５、及び２つの走査レンズ（１１６、１１７）などを備えていても良い。

半導体レーザ１１０は、露光用のレーザ光を出射する。コリメートレンズ１１１は、半導体レーザ１１０から出射されたレーザ光を略平行光とする。アパーチャ１１２は、コリメートレンズ１１１からの光のビーム径を規定する。ここでは、アパーチャ１１２の大きさを替えることで、２０μｍ〜２００μｍの範囲で任意のビーム径とすることが可能である。シリンダレンズ１１３は、アパーチャ１１２を透過した光を整形する。折り返しミラー１１４は、シリンダレンズ１１３からの光の光路をポリゴンミラー１１５の方向に折り曲げる。ポリゴンミラー１１５は、複数の偏向面を有し、折り返しミラー１１４からの光を所定角度範囲で等角速度的に偏向する。

この露光部７６の動作について簡単に説明する。半導体レーザ１１０から出射された光は、コリメートレンズ１１１、アパーチャ１１２、シリンダレンズ１１３、及び折り返しミラー１１４を介して、ポリゴンミラー１１５の偏向面近傍に一旦結像される。ポリゴンミラー１１５は、不図示のポリゴンモータによって一定の速度で図２６中の矢印方向に回転しており、その回転に伴って偏向面近傍に結像された光は等角速度的に偏向される。この偏向された光は、２つの走査レンズ（１１６、１１７）及び折り返しミラー１１８を介して、試料７１の表面を走査する。すなわち、光スポットが試料７１の長手方向に移動する。

また、上記実施形態では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる場合について説明したが、これに限らず、イオンビームを用いても良い。この場合には、前記電子銃に代えてイオン銃が用いられる。そして、例えばイオン銃としてガリウム（Ｇａ）液体金属イオン銃が用いられる場合には、加速電圧は正の電圧となり、試料７１には、表面電位が正となるようにバイアス電圧が付加される。

また、上記実施形態では、試料の表面電位ポテンシャルが負の場合について説明したが、試料の表面電位ポテンシャルが正であっても良い。すなわち、表面の電荷が正電荷であっても良い。この場合には、ガリウムなど正のイオンビームを試料に照射すれば良い。

また、上記実施形態では、増幅手段として光電子増倍管９１ｂを用いる場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、図２７には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

このレーザプリンタ５００は、感光体ドラム５１１、帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４、クリーニング装置５１５、定着装置５１６、光走査装置５１７、カセット５１８、レジストローラ対５１９、給紙コロ５２０、排紙ローラ対５２２、及びトレイ５２３などを備えている。

上記帯電ローラ５１２、現像装置５１３、転写ローラ５１４及びクリーニング装置５１５は、それぞれ感光体ドラム５１１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム５１１の回転方向に沿って、帯電ローラ５１２→現像装置５１３→転写ローラ５１４→クリーニング装置５１５の順に配置されている。

前記感光体ドラム５１１は、上記のようにして十分な絶縁耐圧性能及び対応可能な解像度を有することが評価された潜像担持体であり、その表面には光導電性を有する感光層が形成されている。ここでは、感光体ドラム５１１は、画像形成が行われる際には、図２７における面内で時計回り（矢印方向）に等速回転するようになっている。

前記帯電ローラ５１２は、感光体ドラム５１１の表面を均一に帯電させる帯電手段である。帯電手段としては「コロナチャージャ」を用いることもできる。

前記光走査装置５１７は、帯電ローラ５１２で帯電された感光体ドラム５１１の表面に、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光ＬＢを照射し、光書込による露光を行う。これにより、感光体ドラム５１１の表面では、光が照射された部分だけ電荷が消失し、画像情報に対応した潜像（静電潜像）が感光体ドラム５１１の表面に形成される。ここで形成された潜像は、いわゆるネガ潜像であり、感光体ドラム５１１の回転に伴って前記現像装置５１３の方向に移動する。なお、感光体ドラム５１１の長手方向（回転軸に沿った方向）は「主走査方向」と呼ばれ、感光体ドラム５１１の回転方向は「副走査方向」と呼ばれている。

前記現像装置５１３は、トナーが格納されているトナーカートリッジを有しており、感光体ドラム５１１の表面の光が照射された部分にだけトナーを付着させる。すなわち、現像装置５１３は、感光体ドラム５１１の表面に形成された潜像にトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像（以下、「トナー画像」ともいう）は、感光体ドラム５１１の回転に伴って前記転写ローラ５１４の方向に移動する。

前記カセット５１８は、レーザプリンタ５００の本体に脱着可能であり、その中には転写対象物としての転写紙Ｐが収納されている。このカセット５１８の近傍には前記給紙コロ５２０が配置されており、該給紙コロ５２０は、カセット５１８に収納されている転写紙Ｐの最上位の１枚を取り出す。

前記レジストローラ対５１９は、転写ローラ５１４の近傍に配置され、給紙コロ５２０により取り出された転写紙の先端部を捕捉する。そして、レジストローラ対５１９は、感光体ドラム５１１上のトナー画像が転写位置へ移動するタイミングに合わせて、転写紙を転写ローラ５１４と感光体ドラム５１１との間隙へ送り込む。送り込まれた転写紙は、転写ローラ５１４によりトナー画像と重ね合わされ、トナー画像が静電転写される。

トナー画像が転写された転写紙は、定着装置５１６へ送られ、定着装置５１６においてトナー画像が定着され、搬送路５２１を通り、排紙ローラ対５２２によりトレイ５２３上に排出される。

トナー画像が転写された後の感光体ドラム５１１の表面は、クリーニング装置５１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。

このレーザプリンタ５００は、十分な絶縁耐圧性能及び対応可能な解像度を有することが評価された感光体ドラム５１１を備えているため、高品質の画像を形成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る表面電位分布測定装置を説明するための図である。 図１における検出器を説明するための図である。 図２における光電子増倍管を説明するための図である。 図３の光電子増倍管における陽極−陰極間電圧Ｖallとゲインμとの関係を説明するための図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ二次電子を用いた表面電位分布の測定を説明するための図である。 表面電位分布の測定方法を説明するためのフローチャート（その１）である。 表面電位分布の測定方法を説明するためのフローチャート（その２）である。 図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は、それぞれ図７における信号検出条件を説明するための図である。 従来の検出信号を説明するための図である。 濃度むらを説明するための図である。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれコントラスト像を説明するための図であり、図１１（Ｃ）は、電位分布プロファイルを説明するための図である。 図１２（Ａ）は、感光体の構造を説明するための図であり、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）は、それぞれ電位分布の形成を説明するための図である。 電子放出板を説明するための図である。 シャフト付きの電子放出板を説明するための図である。 試料に印加されるバイアス電圧を説明するための図である。 図１６（Ａ）及び図１６（Ｂ）は、それぞれ加速電圧と試料表面の電位ポテンシャルとの関係を説明するための図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれ加速電圧による入射電子の挙動を説明するための図である。 図１の表面電位分布測定装置の変形例１を説明するための図である。 絶縁耐圧性能の評価方法を説明するためのフローチャートである。 絶縁耐圧性能の評価において得られるコントラスト像を説明するための図（その１）である。 絶縁耐圧性能の評価において得られるコントラスト像を説明するための図（その２）である。 感光体の解像度を評価するのに適したパターン形成装置の光学系を説明するための図である。 感光体の解像度を評価するのに用いたマスクパターンを説明するための図である。 図２４（Ａ）及び図２４（Ｂ）は、それぞれ図２３のマスクパターンが転写された感光体から得られたコントラスト像を説明するための図である。 図１の表面電位分布測定装置の変形例２を説明するための図である。 図２５における露光部を説明するための図である。 絶縁耐圧性能及び解像度が評価された感光体を備えるレーザプリンタを説明するための図である。

符号の説明

３…制御系（処理装置）、５…電子ビーム光学系（光学系）、１０…電子銃（ビーム発生装置）、７６…露光部（潜像形成装置）、９１…検出器（検出装置）、９１ｂ…光電子増倍管（増幅手段）、１００…表面電位分布測定装置、２００…表面電位分布測定装置、２２０…パターン形成装置（潜像形成装置）、２５０…表面電位分布測定装置、５００…レーザプリンタ（画像形成装置）、５１１…感光体ドラム（潜像担持体）、５１７…光走査装置、５１４…転写ローラ（転写装置）、Ｐ…転写紙（転写対象物）。

Claims (13)

1. 荷電粒子ビームを走査して試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定方法であって、
   前記試料を介した荷電粒子を検出効率が互いに異なる複数の条件で検出する工程を、含む表面電位分布測定方法。
2. 荷電粒子ビームを走査して試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定装置であって、
   前記荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と；
   前記ビーム発生装置と試料との間に配置され、前記ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを前記試料表面に集束する光学系と；
   前記試料を介した荷電粒子の少なくとも一部が取り込まれ、その検出効率を変更することが可能な検出装置と；
   前記検出効率が互いに異なる条件での前記検出装置の複数の検出結果に基づいて、前記試料の表面電位の分布状態を求める処理装置と；を備える表面電位分布測定装置。
3. 前記検出装置は、前記検出装置の引き込み電圧を変更することにより、前記検出効率が変更されることを特徴とする請求項２に記載の表面電位分布測定装置。
4. 前記検出装置は、前記検出装置における検出信号のバイアスレベルを変更することにより、前記検出効率が変更されることを特徴とする請求項２に記載の表面電位分布測定装置。
5. 前記検出装置は増幅手段を有し、
   前記検出装置は、前記増幅手段の増幅率を変更することにより、前記検出効率が変更されることを特徴とする請求項２に記載の表面電位分布測定装置。
6. 前記増幅率は、少なくとも５倍単位で変更されることを特徴とする請求項５に記載の表面電位分布測定装置。
7. 前記処理装置は、前記複数の検出結果を平均化して、前記試料の表面電位の分布状態を求めることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
8. 前記試料表面に潜像を形成する潜像形成装置を更に備えることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
9. 請求項２〜８のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置で表面電位分布が測定され、その測定結果から得られた耐絶縁性が予め設定されている条件を満足している潜像担持体。
10. 前記予め設定されている条件は、厚さ方向にかかる電界強度が１０Ｖ／μｍのときに、５μｍ以上の大きさの電荷リークが検出されないこと、であることを特徴とする請求項９に記載の潜像担持体。
11. 前記予め設定されている条件は、厚さ方向にかかる電界強度を３０Ｖ／μｍ以上かつ４０Ｖ／μｍ以下とし、少なくとも電荷を１×１０^-8クーロン／ｍｍ²照射したときに、９９％以上の耐絶縁領域が存在すること、であることを特徴とする請求項９に記載の潜像担持体。
12. 請求項２〜８のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置で表面電位分布が測定され、その測定結果から得られた潜像の解像度が予め設定されている条件を満足している潜像担持体。
13. 請求項９〜１２のいずれか一項に記載の潜像担持体と；
    前記潜像担持体に対して光を走査する光走査装置と；
    前記潜像担持体に形成された像を転写対象物に転写する転写装置と；を備える画像形成装置。