JP2599642C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 『発明の利用分野』 本発明は、電子写真プロセスを利用した複写装置に関するものである。特に、
複写プロセスの中心的な役割を担う感光体の長寿命化に関するものである。 『従来技術』 電子写真プロセスは光導電現象を利用して感光体に静電的な電荷像（潜像）を
形成し、着色した帯電微粒子（トナー）を静電気力で潜像に付着させ、可視像と
するプロセスである。感光紙に直接トナー画像を形成するＣＰＣ法と感光体上の
トナー画像を普通紙に転写するＰＰＣ法の二種類が知られている。本発明は主に
ＰＰＣ法で用いられる技術に関する。ＰＰＣ法では感光層表面に画像を形成する
ゼログラフィー法（カールソン法ともいう）が最も一般的であり、このプロセス
は帯電、露光、現像、転写、定着及びクリーニングの各プロセスに分けることが
できる。これらプロセスは、感光ドラム、帯電器、露光器、現像器、転写器、定
着器、除電器、クリーナーから構成されている。 電子写真方式を利用した複写装置は前記電子写真プロセスを用いたものである
が、その寿命を決定する要素として、前記構成要素のうち感光ドラムは最も重要
である。本発明は感光ドラムの長寿命化を図ることにより複写装置の高信頼化を
実現したものである。 電子写真プロセスに用いられる感光ドラムには感光体として有機樹脂、アモル
ファスシリコン、セレン合金等が知られている。これら感光ドラムはその使用時
に転写紙、現像ローラー等との摩擦や、クリーニングブレード、ブラシ等を用い
たクリーニングによりその表面に摩擦を生じ、また、トナーやトナー中に含まれ
る潤滑剤により表面が摩耗される。その為、感光体表面に保護膜を設けることが
試みられ、各種有機樹脂やAl₂O₃,Si₃N₄等の無機膜が検討されている。 一方、感光体用保護膜としては、保護膜の比抵抗が10⁸〜10¹²Ωcmであること
が要求される。比抵抗が10⁸Ωcm以下であれば、電気潜像の拡散、即ち電荷の横
方向のリークが発生してしまい、転写像にボケが生じてしまう。また、比抵抗が
10¹³Ωcm以上であれば膜中に電荷が蓄積され、繰り返し使用するにつれ露光を行
っても本来散逸するべき電荷が散逸せず、潜像が形成されなくなる。よって、長
期にわたって安定した良質な転写像が得られなくなる。 さらにカラーコピー等への応用として考えられる可視光域での使用を考えると
保護膜は400nm 〜800nm の範囲で少なくとも50％以上、500nm 〜800nm の範囲で
は80％以上の透過率が必要となる。 以上述べたこれらの要求、即ち耐摩耗性、電気的特性、光学的特性を満足する 保護膜として「炭素被膜を有する複合体及びその作成方法」（特願昭56-146936
号昭和56年 5月17日出願）が知られている。炭素を主成分とする被膜は可視光域
で概略透明であり、ビッカース硬度は2000kg/mm²以上のものが容易に得られ、比
抵抗は被膜の作成条件を変えることにより、10⁶〜10¹³Ωcmの範囲で変えること
ができる。即ち、感光体への応用としては極めて好適なものである。 特に有機感光体（ＯＰＣ）とは馴染みが良く、密着性も良好である。それは、
炭素を主成分とする被膜はある種の有機膜であると考えられ、有機感光体と炭素
を主成分とする被膜の界面ではポリマー的な結合をしていると予想されるからで
ある。 ところが、炭素を主成分とする被膜は詳しい研究のなかで、各々の特性はトレ
ードオフの関係にあることが明らかとなってきた。即ち、ビッカース硬度が2000
kg/mm²以上のものは容易に得られるが、透過率が低く（吸収係数が0.6μm^-1と高
い。膜厚が5000Åであれば透過率は74%となる。）、抵抗率が10⁶〜10⁷Ωcmと低
いものとなってしまう。そのため耐磨耗性には優れているものの透過光の減少に
よる低感度化と抵抗率の低下による画像流れが発生する。逆に吸収係数が0.2μm
^-1（膜厚5000Åで透過率90%）と充分低いものは作製できるが、ビッカース硬度
は500kg/mm²と低く、抵抗率が10¹⁴〜10¹⁵Ωcmと高くなってしまう。 よって、
硬度を減少させることなく、透過率の高く、かつ適当な導電率を有した被膜が必
要とされていた。 『発明の構成』 本発明の複写機は上記問題点、即ち耐磨耗性、感度、抵抗率の各特性に要求さ
れる水準を満たした感光ドラムを有することを特徴としている。 既に述べたように各特性を個別に満足させることは容易である。即ち、プラズ
マＣＶＤを用いて被膜を形成する場合、その膜の硬度、透過率、抵抗率は被膜の
形成条件で制御できることが知られている。被膜の形成条件の中でも最も重要視
されるのは製膜圧力と基板にかかる負バイアス電圧である。負バイアス電圧は、
平行平板型電極を用いた場合は投入電力の関数となるが、主放電用電源（１個乃
至２個、13.56MHz）の他にバイアス電圧印加用中周波数電源(1〜1000kHz)を備え
た陽光柱方式のプラズマＣＶＤの場合はバイアス電圧印加用中周波数電源の出力 が主放電用電源の出力に大きく影響されることなく制御できる。よって、平行平
板型電極方式よりも陽光柱方式のほうが、自由度が大きい為有利である。なお、
主放電電力は製膜速度に大きく影響する。 勿論、他の要因（投入電力、チャンバー形状、基板設置方法、基板温度、使用
原料ガス、ガス混合比等）に影響されることは確かであるが、製膜圧力と負バイ
アス電圧が被膜特性を決定する寄与率が高いということを示しているものである
。 各特性がどの様な関係にあるかを述べる。一般に第１図に示すように負バイア
ス電圧が大きい（値は負値として観測されるが、大小を論じる場合はその絶対値
の大小で論ずる。以下絶対値のことをいう。）ほど、また、圧力が低いほど硬度
は高くなり（第１図Ａ）、吸収係数は大きくなり（第１図Ｂ）、抵抗率は小さく
なる（第１図Ｃ）。 硬度は膜中の炭素原子のsp³結合とsp²結合の比によって決まる。sp³結合が多
いほど硬度が増す。これは、製膜素過程のうち、水素、炭素、炭化水素等の原子
もしくは分子の正イオンによるボンバードメントが強いほどsp³結合の比が増す
と考えられている。それは、sp²結合が正イオンによりエッチングされるためで
ある。これは負バイアス電圧が大きいほど、また、製膜圧力が低いほどボンバー
ドメントが強くなることを考えれば硬度が高くなることは納得できる。 ところで、ボンバードメントが強くなれば、sp²結合がエッチングされてsp³結
合の比が増すと同時に、膜中のダングリングボンドが増加する。このダングリン
グボンドには極在電子が存在し、ダングリングボンド間でのホッピング電導が発
生する。ダングリングボンドの密度が増加すれば、それだけホッピングの確率が
増し、抵抗率が低下することになる。また、膜中を透過する光はダングリングボ
ンドに存在する極在電子に吸収され、結果として透過率が減少（吸収係数が増加
）する。よって、この様な系では要求特性を満足する領域はない（第４図）。 そこで、製膜素過程において適度なボンバードメントを与え、被膜の硬度を充
分高くしておき、かつ、ダングリングボンドを形成させないためには、供給され
る炭素原料ガスとともに水素ガスを混合し、全流量に対し、炭素原料ガス濃度が
５０％以下、好ましくは２０％以下、とすると水素原子でダングリングボンドが
ターミネートされ、硬度を低下させることなく吸収係数を0.2 μｍ^-1以下とする ことができることを究明した（第２図Ｂ）。ここでいう炭素原料ガスはCH₄,C₂H₆
,C₃H₈,等の飽和炭化水素、C₂H₄,C₂H₂,C₆H₆等の不飽和炭化水素を用いることがで
きる。また、炭化水素の水素原子のうち、いくつかはフッ素の如きハロゲン系元
素に置きかわっても良い。 一方、ダングリングボンドを水素でターミネートすれば適当な電気的欠陥がな
くなるため、極在電子間のホッピングの確率が減少し、抵抗率が高くなる。この
時の抵抗率は10¹⁵Ωcm以上であり、電子写真用には用いることができない（第２
図Ｃ）。 そこで、被膜の硬度、吸収係数を維持したまま被膜の抵抗率を適当な値に制御
する方法として本発明人は原料ガスにNF₃を炭素原料ガス流量１に対して０．２
乃至４を混入することにより、その流量比に応じた抵抗率とすることができるこ
とを見つけた。これを用いて電子写真用感光体に最適な抵抗率（10⁸〜10¹²Ωcm
）を実現することができる（第３図Ｃ）。この場合の導電機構はダングリングボ
ンドではなく、窒素原子により発生した正孔によるものと考えられる。ただし、
炭素膜中の窒素による準位は深いため、シリコン半導体のように導電率は高くな
く、依然絶縁体に近い抵抗率を示す。この時、膜中に含有される窒素濃度はオー
ジェ電子分光により１〜１０原子％であることが分かっている。また、膜に含有
させる窒素源として、アンモニア（NH₃）も考えられるが、プラズマ中での解離
はNF₃の方がし易く、また、解離したフッ素原子がその強い電気陰性度により水
素と結合してHFをつくるため、水素の引抜き反応が促進され、反応速度が高くな
る。よって、NF₃の方が有利である。 また、耐摩耗性に対して、被膜の硬度は重要ではあるが、最近の研究で硬度よ
りむしろ膜の厚さが厚い方が耐摩耗性に対しては有利であることが分かってきた
。よって、水素ガスの希釈により吸収係数を減少できるこの技術は、膜厚に対し
て設計余裕がとれ、大変有意義なものである。さらに、耐摩耗性は下地の硬さに
影響されることは上記の高膜厚が耐摩耗性に対して大変有利であることより推定
されるが、実際、有機感光体の様な柔らかい（ビッカース硬度４〜２０kg/mm²）
基体の上に成膜するような場合は中間層としてビッカース硬度100〜400kg/mm²程
度の硬さで膜厚が0.3〜0.8 μm の被膜を挿入するのが良い。該中間層が炭素を
主成分 とする被膜であれば密着性の点からも非常に有利である。感光体自体がアモルフ
ァスシリコンのように硬いものであれば中間層は必要でない場合もある。 尚、本明細書で中間層と最表層をまとめて保護層と呼び、中間層は１層でも、
また、複数層であっても構わない。 『作用』 このように、炭化水素系のガスのみで作成した被膜は硬度、透過率、抵抗率を
同時に満足することができなっかたが、炭化水素系のガスに水素を混入すること
により、透過率を向上させることができ、更に、３フッ化窒素を添加することに
より抵抗率を制御することができた。また、適当な硬さと厚さの中間層を入れる
ことにより耐摩耗性を向上させることができた。よって、これらを組み合わせて
要求特性を満足できる被膜を得、該皮膜を応用した感光体を用いることにより、
信頼性の高い複写装置を実現することができた。 実施例 本実施例では有機感光体（ＯＰＣ）上に前記保護層を形成し、複写機を構成し
たものを示す（第７図）。 有機感光体（ＯＰＣ）は機能分離型のものを用いた。即ち、アルミニウム基体
上に有機樹脂の中間層、電荷発生層、電荷輸送層の順に塗工し、炭素を主成分と
する被膜を中間層として０．５μｍ積層した。被膜の形成はプラズマＣＶＤを用
いた。成膜条件は以下のようである。 反応圧力 ０．０１Ｔｏｒｒ 投入電力密度 ０．０６Ｗ／ｃｍ² 負バイアス −５０Ｖ 原料ガス エチレン １０ｓｃｃｍ ＮＦ₃ ５ ｓｃｃｍ 次に最表層として３種類の被膜を形成した。異なる条件は原料ガスのみである
。 固定条件を以下に記す。 反応圧力 ０．０１Ｔｏｒｒ 投入電力密度 ０．０６Ｗ／ｃｍ² 負バイアス −１００Ｖ ３種類の被膜を各々Ａ，Ｂ，Ｃとした。原料ガスの流量を以下に記す。 Ａ エチレン １０ｓｃｃｍ Ｂ エチレン １０ｓｃｃｍ 水素 ９０ｓｃｃｍ Ｃ エチレン １０ｓｃｃｍ 水素 ９０ｓｃｃｍ ＮＦ₃ ５ｓｃｃｍ なお、最表層の保護層Ｃは、５０原子％以上の炭素と１０〜４０原子％の水素
と１〜１０原子％の窒素からなる。 上記のようにして作成した感光体を用いて複写機を構成し画像を評価した。 評価結果 Ａ：画像は全体に白っぽく、典型的に露光不足である。保護膜部の透過率が低い
ことが伺える。 Ｂ：下地が黒く、典型的な残留電位の高い画像となっている。保護膜の抵抗率が
高いことが分かる。 Ｃ：画像は良好である。 １０万枚コピー後の保護膜表面はＡ，Ｂ，Ｃともに傷は見られず、耐摩耗性はい
ずれも高いことが分かる。 『効果』 以上のように炭化水素系のガスに水素を混入することにより、透過率を向上さ
せることができ、更に、３フッ化窒素を添加することにより抵抗率を制御するこ
とができた。これにより、硬度、透過率、抵抗率の要求特性を満たす保護層を得
ることができた。また、最表層の下に適当な硬さと膜厚の膜を挿入することによ
り耐摩耗性を向上させることができた。これにより、信頼性の高い複写機を実現
できた。

【図面の簡単な説明】 第１図はエチレンのみを用いた場合の膜特性を示す。 第２図はエチレンと水素を用いた場合の膜特性を示す。 第３図はエチレンと水素と３フッ化窒素を用いた場合の膜特性を示す。 第４図はエチレンのみを用いた場合の膜特性が最適領域を有さないことを示す
。 第５図はエチレンと水素を用いた場合の膜特性が最適領域を有さないことを示
す。 第６図はエチレンと水素と３フッ化窒素を用いた場合の膜特性が最適領域を有
することを示す。 第７図は複写機の概略を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子写真方式を利用した複写装置であって、 該複写装置の感光部材が、 導伝処理を施した基体と、 該基体上に設けられた有機感光体と、 該感光体表層の保護層で少なくとも構成された電子写真用感光体であって、 前記保護層は炭素を主成分とする被膜であり、 かつ、該保護層の最表層は５０原子％以上の炭素と１０〜４０原子％の水素と
   １〜１０原子％の窒素を含んでいる 電子写真用感光体を有することを特徴とする複写装置。 ２．電子写真方式を利用した複写装置であって、 該複写装置の感光部材が、 導伝処理を施した基体と、 該基体上に設けられた感光体と、 該感光体表層の保護層で少なくとも構成された電子写真用感光体であって、 前記保護層は炭素を主成分とする被膜であり、 かつ、該保護層の最表層は５０原子％以上の炭素と１０〜４０原子％の水素と
   １〜１０原子％の窒素を含んでおり、前記最表層の７８０ｎｍにおける吸収係数
   は０．２μｍ^-1以下であり、ビッカース硬度は８００〜２０００ｋｇ／ｍｍ²で
   あり、抵抗率は１×１０⁸〜１×１０¹²Ωｃｍである 電子写真用感光体を有することを特徴とする複写装置。