JP2010002867A - 帯電制御装置、帯電装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく感光体を帯電させる。
【解決手段】帯電装置１は、電子放出素子２および帯電制御装置３を備えている。帯電制御装置３は、印加される電圧に応じて電子放出素子２から放出される電子によって帯電される感光体１２の帯電量を制御するものである。帯電制御装置３は、電子放出素子２から放出される電子の電流量を測定する測定手段４および５と、測定手段４および５からの測定結果に基づいて、電子放出素子２から放出される電子の電流量が一定になるように、電子放出素子２に印加する電圧を制御する制御部７とを備えている。このように、電子放出素子２から放出される電子の電流量をリアルタイムで制御することによって、効率よく感光体１２を帯電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子放出素子に電圧を印加することによって放出される電子による被帯電体の帯電量を制御する帯電制御装置、およびこれを備えた帯電装置に関し、さらに当該帯電装置を備えた画像形成装置に関する。特に電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成において、静電潜像担持体を帯電させるときの帯電量を制御する帯電制御装置、およびこれを備えた帯電装置、さらに当該帯電装置を備えた画像形成装置に関するものである。

電子写真方式の複写機、プリンタ等の画像形成装置においては、感光体等の被帯電体に静電潜像を形成するに先立って、被帯電体の表面を種々の方法で均一に帯電させる。

従来の帯電方法としては、例えばコロナ放電を利用した方法が挙げられる。この方法は、非常に細いワイヤから放電させて感光体の表面を帯電させるという方法である。しかしながら、この方法においては、感光体の表面を帯電させるために約４〜１０ｋＶ程度の高圧電源が必要である。さらに、ワイヤからの放電によって多量のオゾンが発生するため、人体に悪影響を及ぼすばかりでなく、感光体の劣化を早めるという問題がある。このような問題を解決するため、例えばオゾンの発生量を低減させるように改善されたコロナ帯電器が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

また、他の帯電方法としては、接触帯電方式により感光体表面を帯電させる方法が近年実用化されている。この方法では、導電性のローラ、ブラシ、弾性ブレードまたはカーボンナノチューブ等の導電性部材を感光体の表面に接触させることによって感光体の表面を帯電させているため、オゾンの発生量および消費電力量を低減させることができる。

このような接触帯電方式を利用した帯電方法のうち、特に導電性部材として導電性ローラを用いたローラ帯電方法が、帯電の安定性の観点から現在広く利用されている。ローラ帯電方法では、導電性の弾性ローラを感光体に加圧当接し、このローラに電圧を印加することによって感光体を帯電させる。しかしながら、ローラ帯電方法により感光体を帯電させるとき、感光体の表面に極微な欠陥（ピンホール）があった場合、この感光体表面の欠陥部において、導電性の弾性ローラから異常な量の電流リークが発生する。これにより感光体の表面が損傷し、画像形成に悪影響を及ぼす。

このようなローラ帯電方法において生じる問題点をさらに改良した帯電方法として、電圧を印加するローラ状の帯電部材（一次帯電ローラ）と感光体との間に二次帯電ローラを追加した方法が知られている（例えば、特許文献３参照のこと）。ここで二次帯電ローラは、一次帯電ローラから感光体に電荷を運搬する役割を担うものであり、感光体表面のピンホールにより生じる電流リークの問題を解消するために設けられている。しかしながらこの方法においては、二次帯電ローラと感光体との間の狭ギャップで発生する微小放電により感光体を帯電させるため、帯電時のオゾンやＮＯｘの発生を完全に抑えることはできない。

また、カーボンナノチューブを導電性部材として応用した接触帯電方式による帯電方法が、例えば特許文献４に開示されている。しかしながら、カーボンナノチューブを導電性部材として用いた場合、カーボンナノチューブを感光体に押し付けたときの圧力によって、カーボンナノチューブが損傷し、帯電能力が低下してしまう。

さらに他の帯電方法として、ＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）構造を有する電子放出素子を用いた帯電方法が、特許文献５および特許文献６に開示されている。この電子放出素子においては、多孔質半導体層を挟んで設けられた上部薄膜電極および下部薄膜電極間の電位差により電子の加速電界が形成される。そして加速電界の形成により生じた高エネルギーの電子が電子放出素子表面から放出され、放出された電子放出素子によって感光体が帯電する。

上記のような電子放出素子を備えた帯電装置においては、電子放出素子から放出された電子による電子付着のみを利用して負イオンを発生させるため、上記の放電を利用した方法のようにオゾンやＮＯｘは原理的に発生しない。なお、ポーラス化したシリコン薄膜からなる多孔質半導体層の電子放出原理および形成方法に関しては、非特許文献１に詳しく開示されている。
特開平９−１１４１９２号公報（１９９７年５月２日公開） 特開平６−３２４５５６号公報（１９９４年１１月２５日公開） 特開２００１−２９６７２２号公報（２００１年１０月２６日公開） 特開２００１−２８１９６４号公報（２００１年１０月１０日公開） 特開２００１−３３１０１７号公報（２００１年１１月３０日公開） 特開２００１−３５７９６１号公報（２００１年１２月２６日公開） "量子サイズナノシリコンの発光と新規機能"，越田信義ら，信学技報，１９９９−０６：ＰＰ１１６−１２１（１９９９）

一般に電子放出素子は電圧を加えることにより電流を得る素子であるため、電子放出素子を用いた帯電装置においては、コロナ放電方式やローラ帯電方式と同じように帯電装置と感光体との電位差によって被帯電体の帯電量の制御を行おうとすると、以下のようないくつかの問題点が生じる。

まず、電位差によって帯電量を制御する場合、帯電装置と感光体との電位差がなくなるまで電子を放出させ続ける必要がある。帯電装置から放出された電子は主に帯電装置と感光体の電位差によって生じる電界によって感光体へと引き寄せられるため、帯電が進み電位差が小さくなり電界が弱くなるにつれて、帯電速度が減少する。特に大気中においては、電子が気体との衝突による散乱を受けるため、さらに電界が弱くなると電子が感光体まで到達しなくなり、最悪の場合感光体を所望の電位まで帯電することができなくなる。

また、上記のとおり電子が大気中で散乱することによって帯電効率が落ちるので、それを補うために過剰な電子を放出させ続けなければならない。コロナ放電方式では、過剰な電子はグリッドや帯電装置のケースに吸収されて帯電装置から出てこないが、電子放出素子を用いた帯電装置では、帯電装置と感光体との電位差に関わらず電子放出量は一定であるため、電位差が小さくなっても帯電装置から放出される電子放出量は減少しない。すなわち、帯電に利用されない電子が多量に放出されることになる。したがって、放出された電子が無駄となるばかりでなく、感光体以外の予期しない部材をも帯電させる恐れがある他、周辺機器の電子回路の破壊につながる可能性もある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、例えばオゾンやＮＯｘの発生を伴わない電子放出素子を用いた場合であっても、電子放出素子の寿命を保ちつつ効率よく感光体を帯電させるための帯電制御装置、当該帯電制御装置を備えた帯電装置、および当該帯電装置を備えた画像形成装置を提供することにある。

本発明に係る帯電制御装置は、上記課題を解決するために、電子放出素子に電圧を印加することによって放出される電子による被帯電体の帯電量を制御する帯電制御装置であって、上記電子放出素子内の電流量を測定する測定手段と、上記測定手段からの測定結果に基づいて、上記電子放出素子から放出される電子の電流量が一定になるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御する制御手段とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、帯電制御装置は、測定手段によって電子放出素子内の電流量を測定する。そして制御手段は、測定手段からの測定結果に基づいて電子放出素子から放出される電子の電流量が一定になるように、電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっている。このように、電子放出素子から放出される電子の電流量を監視し、その電流量が一定になるようにリアルタイムで制御することによって、例えば、オゾンやＮＯｘの発生を伴わない電子放出素子を用いた場合であっても、被帯電体の帯電量を適切に制御することが可能である。その結果、効率よく被帯電体を帯電させることができる。

また、本発明に係る帯電制御装置において、上記測定手段は、上記電子放出素子に流入した電流量を測定する第１の電流測定部と、上記電子放出素子から放出されずに回収される電流量を測定する第２の電流測定部とを含み、上記制御手段は、第１の電流測定部が測定した電流量と第２の電流測定部が測定した電流量との差が一定になるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっていることが好ましい。

上記の構成によれば、電子放出素子に流入する電流量と、電子放出素子から放出されずに回収される電流量とを測定するようになっている。そして、これらの電流量の差が一定になるように電子放出素子に印加する電圧を制御することによって、電子放出素子から放出される電子の電流量を一定に保つことが可能である。これにより、被帯電体の帯電量をより適切に制御することが可能であるため、効率よく被帯電体を帯電させることができる。

本発明に係る帯電装置は、上記課題を解決するために、上記帯電制御装置と、上記電子放出素子とを備え、上記電子放出素子は、電極基板および薄膜電極の間に、少なくとも一部が絶縁体により構成された電子加速層を有し、当該電極基板および当該薄膜電極の間に電圧が印加されることによって、当該電子加速層において電子を加速させて当該薄膜電極から放出するようになっていることを特徴としている。

上記の構成によれば、電子放出素子を用いることにより、放電を利用する必要が無いため、オゾンなどの有害物質の発生を伴わずに被帯電体を帯電させることができる。そして、電子放出素子から放出される電子の電流量を一定に保つように電子放出素子に印加する電圧を制御することによって、被帯電体の帯電量を制御する帯電制御装置を備えているので、被帯電体の帯電量の制御を緻密に行うことが可能である。また、無駄な電子が生じないように電子放出素子に印加する電圧を制御するため、最小限の電子放出で被帯電体を所望の帯電量に帯電させることが可能である。したがって、電子放出素子に余計な負担をかけることがなく、素子の寿命を延ばすことができる。さらに、電子加速層の少なくとも一部が絶縁体により構成されているので、電子放出素子内の放熱や抵抗値制御が行うことが可能である。その結果、電子放出素子の寿命を延ばすことが可能であり、長期間にわたって安定した帯電を行うことができる。

また、本発明に係る帯電装置において、上記制御手段は、上記電子放出素子から放出される電子の電流量が０．２５μＡ〜２０ｍＡになるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっていることが好ましい。

電子放出素子から放出される電子の電流量が０．２５μＡ〜２０ｍＡになるように制御することによって、電子放出素子から必要以上の電子を放出させて予期せぬ部分の帯電を起こしたり、逆に被帯電体の帯電量が不足することを防ぐことができる。

さらに、本発明に係る帯電装置において、上記制御手段は、上記薄膜電極と上記被帯電体との電位差が、１．５ｋＶ〜４ｋＶになるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっていることが好ましい。

電子放出素子の薄膜電極と被帯電体との電位差が１．５ｋＶ以上になるように制御することによって、電子放出素子から放出された電子を効率よく被帯電体に到達させることが可能であり、拡散して電子が無駄になることがない。また、電子放出素子の薄膜電極と被帯電体との電位差が４ｋＶ以下になるように制御することによって、コロナ放電を引き起こすことなく電子の放出を行うことができる。

また、本発明に係る帯電装置は、上記電子放出素子を複数備え、当該複数の電子放出素子をそれぞれ個別に制御する複数の上記帯電制御装置を備えていることが好ましい。このように、複数の電子放出素子のそれぞれに印加する電圧を個別に制御することによって、電子放出素子の特性に製法上や経時劣化によるばらつきが生じても、放出する電子の電流量が一定になるように制御することができるので、被帯電体に帯電ムラが生じることを防ぐことができる。

さらに、本発明に係る帯電装置において、上記複数の電子放出素子は、円筒状の上記被帯電体の長手方向に沿って２列以上配列されており、各列における上記電子放出素子間の間隙が、隣接する列間で上記長手方向に直交する方向に重ならないように配置されていることが好ましい。

これにより、一方の列に複数の電子放出素子を配置することによって生じる電子放出素子間の間隙に起因する帯電特性の悪化や帯電の不均一性を、他方の列の電子放出素子による帯電でカバーすることが可能であり、被帯電体の均一な帯電を実現することができる。

また、本発明に係る帯電装置において、上記薄膜電極は、金、炭素、ニッケル、チタンおよびアルミニウムの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。このように、薄膜電極に仕事関数の低い物質が含まれていることによって、電子加速層で加速された電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。

さらに、本発明に係る帯電装置において、上記電子加速層は、第１の誘電体物質に被覆された導電体からなる導電微粒子と、第２の誘電体物質とを含んでいることが好ましい。

上記の構成によれば、電子加速層が周囲を第１の誘電体物質に被覆された導電体からなる導電微粒子を含むことによって、電子放出素子が多層ＭＩＭ構造を形成し、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することによって電子加速層を通る電子を加速して弾道電子とし、薄膜電極を通過させて効率よく電子を放出することができる。

また、電子加速層が第２の誘電体物質を含むことによって、電子加速層における抵抗値を調整することができる。さらに、第２の誘電体物質によって、電子が導電微粒子を繰り返しトンネルする過程で生じる熱を逃がすことができるので、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。

本発明に係る帯電装置は、上記構成を有する電子加速層を有しているため、被帯電体までの距離が短くとも安定的に低電圧で電子を放出することができる。これにより、帯電装置の小型化を実現することが可能である。また、電子放出素子から面状に電子が放出されるため、電界集中がなく、帯電の安定性に優れている。さらに電界集中がないことから、アーク放電による被帯電体への損傷もない。

また、本発明に係る帯電装置において、上記導電体は、金、銀、白金、ニッケルおよびパラジウムの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。これにより、導電微粒子が大気中の酸素により酸化すること等に起因する電子放出素子の劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。

さらに、本発明に係る帯電装置において、第１の誘電体物質は、アルコラート、脂肪酸およびアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。これにより、導電微粒子の大気中の酸素による酸化等によって第１の誘電体物質が成長すること等による素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。

また、本発明に係る帯電装置において、上記第２の誘電体物質は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２の少なくとも１つ、あるいは有機ポリマーを含んでいることが好ましい。このように、絶縁性の高いこれら物質が第２の誘電体物質に含まれているので、電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能である。

さらに、本発明に係る帯電装置において、第１の誘電体物質の膜厚は、上記導電体の平均径よりも薄いことが好ましい。これにより、効率よく電子を加速させることが可能であり、弾道電子を効率よく生成することができる。

また、本発明に係る帯電装置において、第２の誘電体物質は上記導電微粒子の平均径より大きい平均径の微粒子であることが好ましく、このときの第２の誘電体物質の平均粒子径は３０〜１０００ｎｍであることがより好ましい。これにより、電子が導電微粒子を繰り返しトンネルする時に発生する熱を効率よく逃がすことが可能であり、電子放出素子が熱により破壊されることを防ぐことができる。さらに、上記電子加速層における抵抗値の調整が行いやすくなる。また、第２の誘電体物質は層状であり、上記電子放出素子における電流の流入方向に積層され、かつ当該流入方向に貫通する複数の開口部を有しており、上記導電微粒子は、上記開口部に収容されていてもよい。これにより、上記と同様の効果が得られる。

さらに、本発明に係る帯電装置において、上記導電微粒子の平均径は、１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、導電微粒子の平均径が、導電体中における電子の平均自由行程以下となるため、電子は導電微粒子中において散乱されることなく通過することができる。その結果、効率よく弾道電子を生成させることが可能であり、電子放出素子から高いエネルギーを有する電子を放出することができる。

また、本発明に係る帯電装置において、上記電子加速層中における第２の誘電体物質の重量比は、８０〜９５ｗ％であることが好ましい。これにより、電子加速層内の抵抗値を適度に上げることが可能であり、大量の電子が一度に流れることによる電子放出素子の破壊を防ぐことができる。

さらに、本発明の帯電器では、上記電子加速層の層厚は、３０〜１０００ｎｍであることが好ましい。これにより、電子加速層における電子の導電微粒子間のトンネルを、適度な回数繰り返させることができる。その結果、さらに効率よく電子を放出させることができる。

本発明に係る画像形成装置は上記帯電装置を備えていることを特徴としている。これにより、被帯電体を効率よく均一に帯電させることが可能であり、適切に画像形成することができる。

本発明に係る帯電制御装置によれば、電子放出素子内の電流量を測定する測定手段と、測定手段からの測定結果に基づいて、電子放出素子から放出される電子の電流量が一定になるように、電子放出素子に印加する電圧を制御する制御手段とを備えているので、被帯電体を効率よく帯電させることができる。

また、本発明に係る帯電装置によれば、上記帯電制御装置と、電極基板と薄膜電極との間に、少なくとも一部が絶縁体により構成された電子加速層を有する電子放出素子とを備え、帯電制御装置は、電子放出素子に電圧を印加することによって放出される電子による被帯電体の帯電量を制御するようになっているため、オゾンやＮＯｘの発生を伴わずに、効率よく被帯電体を帯電させることができる。

本発明に係る帯電装置の一実施形態について、図１および２を参照して以下に説明する。図１および２は、一実施形態に係る帯電装置１を示す模式図である。図１および２に示すように、帯電装置１は、電子放出素子２および本発明に係る帯電制御装置３を備えている。本発明に係る帯電制御装置３は、電子放出素子内の電流量を測定する測定手段として電流計（第１の電流測定部）４および電流計（第２の電流測定部）５、電子放出素子２の駆動電源６、ならびに駆動電源６を制御する制御部７を備えている。また、帯電装置１は、電界発生用電源１１を備えている。ここで、電子放出素子２は、電極基板８、電子加速層９および薄膜電極１０を備えており、電極基板８と薄膜電極１０との間に電子加速層９が位置するように構成されたＭＩＭ構造を有している。

図１に示すように、帯電装置１において電子放出素子２は感光体（被帯電体）１２に対向するように設置される。感光体１２は、アルミニウム等からなるドラム形状の導電支持体１３の表面を覆うように、例えば厚さ約３０μｍで形成されており、導電支持体１３は接地されている。帯電装置１は、電子放出素子２から感光体１２に対して電子を放出することによって、感光体１２を帯電させる。

電子放出素子２には、電流計４および５と、駆動電源６とが接続されており、電流計４および５と、駆動電源６とは、制御部７に接続されている。駆動電源６によって、電子放出素子２の電極基板８と薄膜電極１０との間に電圧が印加され、これにより薄膜電極１０側から電子が放出されるようになっている。電流計４および５は、電子放出素子２から放出される電子の電流量を測定するために、それぞれ電子放出素子２内の電流量を測定するようになっている。より具体的には、電流計４は、電子放出素子２の電極基板８に接続されており、電極基板８側から電子放出素子に流入する電流を測定するものである。電流計５は、電子放出素子２の薄膜電極１０に接続されており、薄膜電極１０から大気中に放出されずに回収される電流量を測定するものである。

そして、制御部７は、電流計４および５の測定結果に基づいて、電子放出素子２から放出される電子の電流量が一定になるように、駆動電源６により電子放出素子２に印加される電圧をリアルタイムで制御するようになっている。つまり、制御部７は、電流計４および５の測定結果に基づいて、電子放出素子２から放出される電子の電流量が一定になるように、駆動電源６により電子放出素子に印加される電圧を制御するようになっている。

本実施形態において、制御部７は、電流計４により測定された電流量から電流計５により測定された電流量を引いた値、つまり電子放出素子２から放出された電子の電流量が一定となるように、駆動電源６により電子放出素子２に印加される電圧を制御する。このように、電子放出素子２から放出される電子の電流量を監視し、リアルタイムで制御することによって、感光体１２の帯電量を適切に制御することが可能である。その結果、効率よく感光体１２を帯電させることができる。

駆動電源６により電子放出素子２に印加された電圧と放出される電子の関係は、一般に、電圧が高いほど放出される電子が多くなる関係にある。ただし、その係数は素子の特性や寿命、温度、湿度、大気圧など様々な要因により変化する。しかしながら、それらの影響を受けた上での最終的な電子放出量が一定となるように、制御部７が駆動電源６により電子放出素子２に印加される電圧を制御してやればよい。

ここで、制御部７が、電流計４および５の測定結果に基づいて、駆動電源６により電子放出素子２に印加される電圧をリアルタイムで制御することにより、感光体１２を高速かつ均一に帯電させ得ることをより具体的に説明する。

まず、感光体１２の表面における電位は、次式（１）により表される。

ここで、Ｖ：感光体１２の表面電位、Ｑ：電荷、Ｃ：感光体１２の静電容量、ε：感光体１２の誘電率（＝感光体１２の比誘電率（εｒ）×真空の誘電率（ε０））、ｗ：感光体１２の幅、ａ：導電支持体１３の半径、ｂ：導電支持体１３の中心から感光体１２の表面までの半径（＝ａ＋感光体１２の厚さ（ｄ））、である。

また、感光体１２が一周まわる間に受け取る電荷は、

ここで、Ｉ：電子放出電流、ｎ：感光体１２の回転数（ｒｐｍ）、ｖ：プロセススピード、である。

式（１）に式（２）を代入すると、ＶとＩとの関係は、

つまり、以下の式（４）

により表される。

上記式（４）を成り立たせるように、感光体１２の所望の帯電電位ＶよりＩを算出し、電流計４の測定値から電流計５の測定値を引いた値が常にＩとなるように、制御部７が駆動電源により電子放出素子２に印加される電圧を制御してやればよい。

例えば、目標とする帯電量Ｖを−２００Ｖ〜−１ｋＶ、感光体１２の比誘電率εrを２〜４、感光体１２の幅ｗを２５０ｍｍ〜５００ｍｍ、導電支持体１３の半径ａを２５ｍｍ〜１００ｍｍ、感光体１２の厚さｄを１μｍ〜１００μｍ、プロセススピードｖを３０ｍｍ／ｓｅｃ〜１０００ｍｍ／ｓｅｃとすれば、必要となる電子放出電流Ｉは−０．２６μＡ〜−１７．７ｍＡとなる。つまり、電子放出電流Ｉが−０．２５μＡ以下では帯電量が不足する。また、多少の帯電効率の低下を考慮したとしても、電子放出電流Ｉが−２０ｍＡ以上では、電子過剰となり、不要な部分での帯電が発生するほか、素子の無駄な負担が増大するため素子寿命の低下を引き起こす。図８に電子放出電流Ｉの最適な範囲をまとめた表を示す。また、さらに具体的な例として、目標とする帯電量Ｖを−６５０Ｖ、感光体１２の比誘電率εrを３、感光体１２の幅ｗを３３０ｍｍ、導電支持体１３の半径ａを３０ｍｍ、感光体１２の厚さｄを３１．５μｍ、プロセススピードｖを６００ｍｍ／ｓｅｃとすれば、必要となる電子放出電流Ｉは−１０８μＡとなる。

このように電子放出素子２から放出される電子の電流量が一定になるように制御することによって、電子放出素子２の寿命や、温度・湿度、電子放出素子２表面の汚れなどの環境変化による電子放出素子２の特性の変化の影響を受けず、安定した帯電が可能となる。また、放出された電子全てが感光体１２の帯電に用いられることが前提となっているので、無駄な電子が生じない。つまり、最小限の電子放出で所望の帯電が可能であるため、電子放出素子２に余計な負担をかけることなく、素子の寿命を延ばすことができる。また、放出された電子が全て感光体１２に吸着されるため、例えば画像形成装置に搭載したときに他の部材を帯電させることがなく、電気回路の類を破壊する心配も無い。

従来の多孔質半導体層を用いた電子放出素子においては、特に大気中へ電子が放出される際にチャージリング（電子捕捉）が引き起こされる。これにより多孔質半導体層を構成するナノサイズの半導体微粒子（ナノシリコン結晶）に帯電する電子が、多孔質半導体内部の電界を不均一にして電子の加速を抑制し、電子放出量を低下させてしまうという問題があった。このような問題は、特に、帯電速度を上げるために電子放出素子に高電圧を印加した場合ほど顕著に現れ、帯電が不安定になる上、寿命も短くなってしまう。本発明によれば、電子放出素子から放出される電子の電流量が一定になるように、電子放出素子に印加する電圧を制御するので、電子放出素子に不要に高い電圧を印加することがなく、上述した問題が生じない。

次に、電子放出素子２の詳細な構成について図２を参照して以下に説明する。図２に示すように、電子放出素子２は、電極基板８、電子加速層９、および薄膜電極１０を備えている。電子加速層９は、電極基板８と薄膜電極１０との間に挟持されるように形成されている。また、電極基板８および薄膜電極１０は駆動電源６に接続されており、駆動電源６により電極基板８と薄膜電極１０との間に、直流、パルス波形、正弦波形、三角波形等の電圧が印加されるようになっている。電子加速層９は、少なくとも一部が絶縁体により構成されている。電子放出素子２は、電極基板８と薄膜電極１０との間に電圧が印加されることで、電極基板８と薄膜電極１０との間（すなわち、電子加速層９）で電子を加速し、加速した電子を薄膜電極１０から放出させる。

また帯電装置１は、駆動電源６の他に電界発生用電源１１を備えている。電界発生用電源１１は、薄膜電極１０から放出された電子を感光体１２に引き寄せる電界を発生させるために用いられる。感光体１２と薄膜電極１０との離間距離は、薄膜電極１０から放出された電子を感光体１２に到達させることができる距離であれば、特に制限されない。例えば、離間距離は、好ましくは１００μｍ〜１０ｍｍであり、より好ましくは１００μｍ〜２ｍｍである。

帯電装置１において、電子放出素子２の電極基板８は、例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板であってもよいし、例えばＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板であってもよい。また、ガラス基板のような絶縁体基板を用いる場合、その電子加速層９側の界面に金属などの導電性物質を電極として付着させることによって、電極基板８として用いることができる。

薄膜電極１０は、電子加速層９内に電圧を印加させるものである。そのため、電子加速層９内への電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、薄膜電極１０は、電子加速層９内で加速され高エネルギーとなった電子を、なるべくエネルギーの損失無く透過させて放出させるようになっていることが好ましい。この観点から、薄膜電極１０は、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料で形成されることがより好ましい。このような材料として、例えば、金、炭素、チタン、ニッケル、アルミニウムなどが挙げられる。

ここで、電子加速層９の内部構造について、図３を参照して以下に説明する。図３は、電子放出素子２の構造を説明する断面図である。図３に示すように、電子加速層９は、第１の誘電体物質により周囲が被覆された導電体からなる導電微粒子１５と、第２の誘電体物質１４とを含んでいる。本実施形態においては、第１の誘電体物質は導電微粒子を被膜する被膜物質であり、導電体として金属微粒子を用いており、導電微粒子１５は絶縁被膜された金属微粒子である。また、本実施形態において、第２の誘電体物質１４は、導電微粒子１５の平均粒子径よりも大きい平均粒子径の絶縁体からなる微粒子である。しかしながら、電子加速層９の構成は、上記したものに限定されず、例えば、第２の誘電体物質１４がシート状に形成され、電極基板８と薄膜電極１０との間に積層されており、かつ積層された方向に貫通する複数の開口部を有するように構成されていてもよい。このとき、導電微粒子１５はこの開口部に収容される。したがって、電子加速層９は、導電微粒子１５と第２の誘電体物質１４とが混在するように構成されていればよい。電子加速層９には、少なくとも２種類以上の微粒子が存在していることが好ましい。

ここで、絶縁被膜された金属微粒子である導電微粒子１５の金属種としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。ただし、大気圧動作させた時の金属微粒子の酸化劣化を避ける目的から、金属微粒子は酸化しにくい金属であることが好ましく、例えば、金、銀、白金、ニッケル、パラジウムいった材料が挙げられる。また、絶縁被膜された金属微粒子である導電微粒子１５の絶縁被膜としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁被膜でも用いることができる。ただし、絶縁被膜を金属微粒子の酸化被膜によって賄う場合、大気中での金属微粒子の酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまうおそれがある。したがって、大気圧動作させた時の金属微粒子の酸化劣化を避ける目的から、絶縁被膜としては有機材料であることが好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。弾道電子の生成の原理の詳細については後述するが、その原理に従うと、絶縁被膜された金属微粒子である導電微粒子１５の直径は１０ｎｍ以下であることが好ましく、その絶縁被膜の厚さはより薄いほうが有利であることが言える。したがって、導電微粒子１５において、絶縁被膜の厚さは金属微粒子の平均径よりも薄いことが好ましい。

絶縁体からなる微粒子である第２の誘電体物質１４の材料としては、絶縁性を有する材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層９を構成する全材料に対する第２の誘電体物質１４の割合は８０〜９５ｗ％であることが好ましい。また、電子加速層９に含まれる第２の誘電体物質１４と導電微粒子１５との個数比は、第２の誘電体物質１４が１個に対し、導電微粒子１５が２個から３００個程度、すなわち１：２〜３００であるときに、適度な抵抗率と放熱効果が得られるため好ましい。また、第２の誘電体物質１４の直径は５〜１０００ｎｍであることが好ましい。したがって、第２の誘電体物質１４の材料はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２等、または有機ポリマーであることが好ましい。

電子加速層９は、層厚が薄いほど強電界がかかり低電圧印加で電子を加速させることが可能であるが、第２の誘電体物質１４の平均径よりも薄くはできないため、電子加速層の層厚は５〜１０００ｎｍであることが好ましい。

次に、電子放出素子２からの電子放出の原理について図４を参照して説明する。図４は、電子放出素子２の電子加速層９のエネルギーバンドを示す図である。電子加速層９において導電微粒子１５は、図３に示すように、ある程度連なって接するように存在しているため、導電微粒子１５が存在している部分においては、絶縁体と導電体とが交互に存在していることになる。この導電微粒子１５が存在している部分に電圧が印加されると、そのエネルギーバンド図は、図４に示すようになる。

図４に示すように、電界により電極基板８から電子加速層９に入った電子は、導電微粒子１５の金属粒子と絶縁被膜と間のトンネルを介して絶縁被膜に侵入する。絶縁被膜内は高電界が印加されているため、電子は加速されて、エネルギーを得る。絶縁被膜を突破した電子は次に導電性の金属粒子内に侵入する。金属粒子内における電子の平均自由行程は１０ｎｍ以上であるが、絶縁被膜された金属微粒子である導電微粒子１５の半径は１０ｎｍ以下とすることによって、電子は金属原子とぶつかることなく、散乱せずに通過し、また次の絶縁被膜に浸入する。これを繰り返すことにより、電子は高エネルギーを得て弾道電子となる。最終的に電子は薄膜電極１０に到達する。

このとき、電子が薄膜電極１０の仕事関数以上のエネルギーを得ていると、電子は薄膜電極１０を通り抜けて放出される。このような原理により、電子放出素子２は電子を放出することができる。このとき、図１に示すように導電支持体１３が接地されていると、電子放出素子２から放出させられた電子は、電界発生用電源１１により薄膜電極１０と導電支持体１３との間に発生した電界に引き寄せられ、感光体１２の表面において帯電する。

以上のように、帯電装置１においては、電子放出素子２が大気圧中に電子を放出させ、その電子を電界によって感光体１２に到達させるようになっている。すなわち帯電装置１では、放電を利用せずに電子を発生させているので、オゾンなどの有害物質の発生を抑えつつ感光体１２を帯電させることができる。

なお、本実施形態においては、１つの電子放出素子２を備えた構成を例として説明したが、図５に示すように、帯電装置１は、２つ以上の複数の電子放出素子２を、円筒状の感光体１２の長手方向（幅方向）に直線状に配列させた構成であってもよい。図５は、他の実施形態に係る帯電装置１を示す模式図である。これらの複数の電子放出素子２のそれぞれに対して帯電制御装置３を接続し、独立して帯電量を制御するように帯電制御装置３を駆動すれば、電子放出素子２を１つのみ用いる場合と比較して、電子放出素子２の感光体１２に面する面の面積に依存した電子放出特性のバラツキの影響を受けにくく、均一な帯電を行うことができる。

また、図６に示すように、帯電装置１は、２つ以上の複数の電子放出素子２を、感光体１２の長手方向に沿って直線状に２列以上配置してもよい。図６は、他の実施形態に係る帯電装置１を示す模式図である。このとき、それぞれの列における電子放出素子２間の間隙が、隣接する列の間で、感光体１２の長手方向に直交する方向に重ならないように、すなわち当該間隙が感光体１２の長手方向に直交する方向に互い違いになるように配置することが好ましい。このように複数の電子放出素子２を千鳥状に配列させることによって、それぞれが整列する直線上の間隙における帯電不良を補い合うことが可能であり、感光体１２の帯電の均一性が向上するという効果が生じる。なお、図６においては、帯電制御装置３は図示されていないが、図５に示す構成と同様に、複数の電子放出素子２のそれぞれに帯電制御装置３が接続されており、各電子放出素子からの電子の放出量を独立して制御することによって、感光体１２の均一な帯電を実現させることができる。

次に、電界発生用電源１１により発生させる電界について説明する。一般に電界が存在していれば電子は全て電界に引き寄せられる。したがって、帯電装置１では、放出された電子は全て感光体１２に到達するようになっている。しかしながら、感光体１２が帯電するに従って電界は弱まり、最終的に感光体１２の表面と電子放出素子２の薄膜電極１０とが等電位になった時点で電界は消滅し、それ以上電子は感光体１２に引き寄せられなくなる。従来の放電を利用したスコロトロン方式の帯電装置では、このような電位差を利用して帯電量の制御を行っている。つまり、電界発生用電源１１により電子放出素子２の薄膜電極１０に印加される電位は、少なくとも目標とする感光体１２の帯電量Ｖ以上であることが必要であった。

上述のように、電界発生用電源１１により電子放出素子２に印加する電位がＶであれば、最終的に感光体１２の電位はＶとなる。しかしながら、現実には感光体１２が電位Ｖまで帯電するには、ある程度の時間が必要である。特に、感光体１２の電位がＶに近づけば近づくほどその帯電速度は遅くなる。感光体１２は回転しているため、電子放出素子２の直下を通り過ぎてしまうまでに所望の電位にまで帯電させてしまう必要がある。

図７は、１つの例として、目標とする帯電量Ｖを−６５０Ｖ、感光体１２の比誘電率εrを３、感光体１２の幅ｗを３３０ｍｍ、導電支持体１３の半径ａを３０ｍｍ、感光体１２の厚さｄを３１．５μｍ、プロセススピードｖを６００ｍｍ／ｓｅｃとし、電子放出電流Ｉを−１０８μＡで帯電させた場合の、感光体１２の帯電の経時変化を示した図である。電界発生用電源１１の印加電圧は−６５０Ｖ、−１ｋＶ、−１．５ｋＶとし、理想直線は電界発生用電源１１の印加電圧が−無限大であるときの直線を示している。なお、電子放出素子２の、感光体１２の回転方向の長さは３０ｍｍとし、したがって感光体１２の任意の箇所が電子放出素子２の直下を通り過ぎるのに要する時間は５０ｍｓｅｃとしている。

図７に示すように、電界発生用電源１１の印加電圧が−６５０Ｖでは、５０ｍｓｅｃの時点ではまだ−３５０Ｖ程度までしか帯電しておらず、帯電量が足りないことがわかる。一方、電界発生用電源１１の印加電圧を−１．５ｋＶのとき、所望の電位の９９％以上である−６４５Ｖの帯電が得られており、十分に実用範囲であるといえる。さらに電圧を上げれば理想直線に近づいていくが、一方で、あまり電圧をかけ過ぎると、コロナ放電が発生する恐れが生じる。コロナ放電が発生すると、オゾン等の有害物質が発生するほか、電子放出素子２からの電子放出電流以外に放電電流が流れるため、適切な帯電量の制御が困難になる。放電部の形状や電界集中の状態にもよるが、一般にコロナ放電は大気中で±４ｋＶ程度の電圧印加で生じるため、電界発生用電源１１の印加電圧は−４ｋＶ以下とすることが好ましい。以上より、電界発生用電源１１の印加電圧を目標とする帯電量Ｖ以上、より好ましくは−１．５ｋＶ〜−４ｋＶにすることが好ましい。図９に電界発生用電源１１によって生じさせる薄膜電極−被帯電体間の電位差の最適な範囲をまとめた表を示す。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る帯電装置および帯電制御装置は、オゾン等の有害物質の発生を伴わずに、効率よく感光体を帯電させることが可能であるため、特に電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に好適に用いることができる。

一実施形態に係る本発明の帯電装置を示す模式図である。 一実施形態に係る本発明の帯電装置を示す模式図である。 一実施形態に係る本発明の帯電装置における電子放出素子の内部構造を示す断面図である。 一実施形態に係る本発明の帯電装置における電子放出素子の電子加速層のエネルギーバンドを示す図である。 他の実施形態に係る本発明の帯電装置を示す模式図である。 他の実施形態に係る本発明の帯電装置１を示す模式図である。 一実施形態に係る本発明の帯電装置による感光体の帯電の経時変化を示す図である。 電子放出電流Ｉの最適な範囲を示す表である。 薄膜電極−被帯電体間の電位差の最適な範囲を示す表である。

符号の説明

１ 帯電装置
２ 電子放出素子
３ 帯電制御装置
４ 電流計（測定手段、第１の電流測定部）
５ 電流計（測定手段、第２の電流測定部）
６ 駆動電源
７ 制御部
８ 電極基板
９ 電子加速層
１０ 薄膜電極
１１ 電界発生用電源
１２ 感光体（被帯電体）
１３ 導電支持体
１４ 第２の誘電体物質
１５ 導電微粒子

Claims (20)

1. 電子放出素子に電圧を印加することによって放出される電子による被帯電体の帯電量を制御する帯電制御装置であって、
   上記電子放出素子内の電流量を測定する測定手段と、
   上記測定手段からの測定結果に基づいて、上記電子放出素子から放出される電子の電流量が一定になるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする帯電制御装置。
2. 上記測定手段は、上記電子放出素子に流入した電流量を測定する第１の電流測定部と、上記電子放出素子から放出されずに回収される電流量を測定する第２の電流測定部とを含み、
   上記制御手段は、第１の電流測定部が測定した電流量と第２の電流測定部が測定した電流量との差が一定になるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の帯電制御装置。
3. 請求項１または２に記載の帯電制御装置と、上記電子放出素子とを備え、
   上記電子放出素子は、電極基板および薄膜電極の間に、少なくとも一部が絶縁体により構成された電子加速層を有し、当該電極基板および当該薄膜電極の間に電圧が印加されることによって、当該電子加速層において電子を加速させて当該薄膜電極から放出するようになっていることを特徴とする帯電装置。
4. 上記制御手段は、上記電子放出素子から放出される電子の電流量が０．２５μＡ〜２０ｍＡになるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の帯電装置。
5. 上記制御手段は、上記薄膜電極と上記被帯電体との電位差が、１．５ｋＶ〜４ｋＶになるように、上記電子放出素子に印加する電圧を制御するようになっていることを特徴とする請求項３または４に記載の帯電装置。
6. 上記電子放出素子を複数備え、当該複数の電子放出素子をそれぞれ個別に制御する複数の上記帯電制御装置を備えていることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の帯電装置。
7. 上記複数の電子放出素子は、円筒状の上記被帯電体の長手方向に沿って２列以上配列されており、各列における上記電子放出素子間の間隙が、隣接する列間で上記長手方向に直交する方向に重ならないように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の帯電装置。
8. 上記薄膜電極は、金、炭素、ニッケル、チタンおよびアルミニウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項３〜７の何れか１項に記載の帯電装置。
9. 上記電子加速層は、
   第１の誘電体物質に被覆された導電体からなる導電微粒子と、
   第２の誘電体物質とを含んでいることを特徴とする請求項３〜８の何れか１項に記載の帯電装置。
10. 上記導電体は、金、銀、白金、ニッケルおよびパラジウムの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項９に記載の帯電装置。
11. 第１の誘電体物質は、アルコラート、脂肪酸およびアルカンチオールの少なくとも１つを含んでいること特徴とする請求項９または１０に記載の帯電装置。
12. 第２の誘電体物質は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２の少なくとも１つ、あるいは有機ポリマーを含んでいることを特徴とする請求項９〜１１の何れか１項に記載の帯電装置。
13. 第１の誘電体物質の膜厚は、上記導電体の平均径よりも薄いことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の帯電装置。
14. 第２の誘電体物質は上記導電微粒子の平均径より大きい平均径の微粒子であることを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の帯電装置。
15. 第２の誘電体物質の平均粒子径は３０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１４に記載の帯電装置。
16. 第２の誘電体物質は層状であり、上記電子放出素子における電流の流入方向に積層され、かつ当該流入方向に貫通する複数の開口部を有しており、
    上記導電微粒子は、上記開口部に収容されていることを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の帯電装置。
17. 上記導電微粒子の平均径は、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９〜１６の何れか１項に記載の帯電装置。
18. 上記電子加速層中における第２の誘電体物質の重量比は、８０〜９５ｗ％であることを特徴とする請求項９〜１７の何れか１項に記載の帯電装置。
19. 上記電子加速層の層厚は、３０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項９〜１８の何れか１項に記載の帯電装置。
20. 請求項３〜１９のいずれか１項に記載の帯電装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。

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