JP3878752B2

JP3878752B2 - 画像形成装置

Info

Publication number: JP3878752B2
Application number: JP27842898A
Authority: JP
Inventors: 小百合藤川; 秀明福永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000112203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアモルファスシリコン光導電層からなる負帯電の感光体を搭載して、高速複写に適用したタンデム型電子写真方式画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
すでに製品化されているカラープリンタとしてはタンデム型電子写真方式の画像形成装置があるが、それに搭載する感光体は負帯電型のＯＰＣにより構成している。そして、このＯＰＣ感光体の帯電能は−８００Ｖ程度にまで高めることができるので、カラートナーの付着が容易となる（特開平４−２８７０７５号と特開平７−３０６６２４号参照）。
【０００３】
一方、アモルファスシリコン感光体を使用して、高速複写に適用して、プロセススピード１８０ｍｍ／秒以上を達成した正帯電用の画像形成装置が提示されている（特許第２６２２９６６号参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＯＰＣ感光体を搭載した画像形成装置を高速カラー印字に応用しようとすると、ＯＰＣ感光体では磨耗性および耐久性に劣るために適していなかった。
【０００５】
そこで、少なくとも黒色トナー像を使用する感光体に対し、ＯＰＣ感光体に代えて、すでに製品化されているアモルファスシリコン感光体（以下、アモルファスシリコンをａ−Ｓｉと略記する）を使用したが、ＯＰＣ感光体と比べ帯電能や光感度が低く、いまだ満足し得る程度の印字性能が達成できなかった。以下、その理由を述べる。
【０００６】
ａ−Ｓｉ感光体は正帯電用に適しており、グロー放電分解法により導電性基板上にａ−Ｓｉ電荷注入阻止層とａ−Ｓｉ光導電層とを順次積層した層構成である。そして、ａ−Ｓｉ電荷注入阻止層に周期律表第III ａ族元素をドーピングすることで電子に対するポテンシャル障壁が形成され、これにより、導電性基板からの電子の注入を防ぎ、正帯電用の電子写真感光体となりえた。
【０００７】
他方、ａ−Ｓｉ電荷注入阻止層に対し周期律表第III ａ族元素に代えて周期律表第Ｖａ族元素をドーピングすることでホールに対するポテンシャル障壁が形成され、これにより、導電性基板からのホールの注入を防ぐようにして、従来のＯＰＣ感光体に代わる負帯電用の電子写真感光体が期待されているが、いまだ実用化には至っていない。
【０００８】
本発明者はこのように実用化されない課題について、種々検討をおこなったところ、既存の正帯電用の電子写真感光体に対し、周期律表第III ａ族元素（以下、III ａ族元素と略記する）の電荷注入阻止層へのドーピングを、周期律表第Ｖａ族元素（以下、Ｖａ族元素と略記する）に代えただけであるならば、負極性に帯電するが、正極性にも帯電することがわかった。
【０００９】
そのため、このような電子写真感光体をプリンタ（画像形成装置）に搭載し、負帯電用トナーを使用して画像形成しようとすると、トナーを紙に転写した際に上記正帯電性に起因して、転写バイアス電圧を打ち消し、画像特性上劣化した。
【００１０】
しかも、Ｖａ族元素をドーピングするために用いる代表的なガスであるホスフィン（ＰＨ₃）は毒性が強く、低濃度であっても人体に悪影響があり、そのため安全管理には細心の注意を払う必要があり、これに伴ってコストが増大するという課題もある。さらにこのようなドーピングガスを所要どおりに高い精度でもって使用し、これによって電子写真特性のバラツキを小さくするには、生産管理を相当に高める必要があり、その点でも生産コストが上昇していた。
【００１１】
また、一般的に一つの画像形成装置に対して複数の感光体を配列したカラープリンタの場合には、お互いに光導電層が異なる感光体を配設すると、それぞれの性能差によって所要どおりの着色が得られないという課題もある。
【００１２】
本発明者は上記事情に鑑みて鋭意研究に努めたところ、タンデム型電子写真方式のカラープリンタにおいて、画像形成要素に搭載される感光体をａ−Ｓｉ光導電層により構成し、さらにａ−Ｓｉ光導電層の赤外線吸収スペクトルにおいて波数２０００ｃｍ^-1での強度Ｉａと、波数２１００ｃｍ^-1での強度Ｉｂとの関係を規定することで膜質を高めることで、プロセススピード２００ｍｍ／秒以上が達成でき、その結果、優れた負帯電性とともに高速複写が得られ、さらにＯＰＣ感光体が搭載された画像形成要素を使用した場合にも、その間で帯電や感度特性の差が小さくなり、光感度を高めたことで、異種の感光体を搭載しても、カラープリンタとして十分に実用性がある画像形成装置となるを知見した。しかも、ａ−Ｓｉ電荷注入阻止層にＶａ族元素をドーピングしないでも負極性に良好に帯電でき、これによってホスフィンガスなどを使用しないことで、生産コストを下げることができたことも見い出した。
【００１３】
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、その目的は高速カラー印字に適した負帯電用の画像形成装置を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の他の目的はホスフィンガスなどを使用しないことで、生産コストを下げることができた画像形成装置を提供することにある。
【００１５】
本発明のさらに他の目的は耐久性を高めたことで長期信頼性の画像形成装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のタンデム型電子写真方式の画像形成装置は、感光体と、該感光体の表面に負電荷を付与する帯電手段と、感光体の帯電領域に対し光照射する露光手段とから成り、これら帯電手段と露光手段とにより感光体の表面に静電潜像を形成するとともに、該静電潜像に対応した着色トナー像を感光体の表面に形成する現像手段と、該着色トナー像を被転写材に転写する転写手段と、該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と、該転写後に残余静電潜像を除去する除電手段とを配設した画像形成要素を複数配列して成り、少なくとも一つの画像形成要素に搭載される感光体は、赤外線吸収スペクトルにおいて波数２０００ｃｍ⁻ ¹での強度Ｉａと、波数２１００ｃｍ⁻ ¹での強度Ｉｂとが０．２２≦Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ）≦０．３５の関係式を満たすアモルファスシリコン光導電層と、周期律表１３族元素及び周期律表１５族元素をノンドープとしたアモルファスシリコン電荷注入阻止層とを少なくとも有しており、プロセススピードを２００ｍｍ／秒以上にしたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
感光体の構成
図２は本発明の黒色トナー像を形成する画像形成要素に係る感光体１の層構成であり、導電性の基板２の上にａ−Ｓｉなどからなる感光層３を真空蒸着法、活性反応蒸着法、イオンプレーテイング法、ＲＦスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＲＦマグネトロンスパッタリング法、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などで成膜形成している。この感光層３はたとえば電荷注入阻止層４、光導電層５および表面保護層６とを順次積層してなる。
【００１８】
上記基板２は銅、黄銅、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属導電体からなり、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。
【００１９】
電荷注入阻止層４については、ａ−Ｓｉに対し価電子制御用不純物としての１３族元素および／または１５族元素をドーピングせず、そして、このようなノンドープであっても、光導電層５の赤外線吸収スペクトルにおける波数２０００ｃｍ⁻ ¹での強度Ｉａと、波数２１００ｃｍ⁻ ¹での強度Ｉｂとを０．２２≦Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ）≦０．３５の関係式を満たすように設定することで、優れた負帯電能が得られた。
【００２０】
すなわち、本発明においては、ノンドープのａ−Ｓｉは成膜中に形成される結合ネットワークの構造的欠陥に起因し、弱いｎ型を示すので、フォスフィン（ＰＨ₃）ガスなどを用いてＰをドーピングしなくとも、光導電層５の膜質を規定することで優れた負帯電能が得られることは予想外の効果であった。
【００２１】
具体的には光導電層５をプラズマＣＶＤ法で成膜するに際し、印加する高周波電力の値を変えたり、成膜速度を変えることで、Ｓｉ原子とＨ原子との結合状態である〔ＳｉＨ結合〕と〔（ＳｉＨ₂）_n結合〕の量比を規定できるが、それを赤外線吸収スペクトルであらわした場合に、波数２０００ｃｍ^-1での強度Ｉａと、波数２１００ｃｍ^-1での強度Ｉｂとの関係を示すＩＲ比をＩｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ）で表して、０．２２≦ＩＲ比≦０．３５、好適には０．２５≦ＩＲ比≦０．３４の関係式を満たすと優れた負帯電能が得られ、その上、ＯＰＣ感光体が搭載された他の画像形成要素との間で帯電や感度特性の差が小さくなり、光感度が高められ、これによってプロセススピード２００ｍｍ／秒以上の高速カラー印字に好適となった。さらに短波長可視光から近赤外光（長波長光）にわたって、すなわち波長ピーク５２０〜８２０ｎｍの照射光に対し光感度が向上した。その結果、レーザー光、ＬＥＤなどにおいて幅広い波長ピークをもつさまざまな光源をプリンタに使用することができる。
【００２２】
また、電荷注入阻止層４に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、障壁を高くすることができ、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。
【００２３】
表面保護層６はａ−Ｓｉ、アモルファスシリコンカーバイド、アモルファスシリコンナイトライド、アモルファスシリコンオキサイド、セレン等を、グロー放電分解法、真空蒸着法、活性反応蒸着法、イオンプレーテイング法、ＲＦスパッタリング法、ＤＣスパッタリング法、ＲＦマグネトロンスパッタリング法、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、熱ＣＶＤ法などで成膜形成する。また、有機材料を使用する場合には塗布などによって成膜形成する。
【００２４】
以上のとおり、この感光体１によれば、光導電層５に関し上記のようにＩＲ比を規定したことで膜質を高め、これによって優れた負帯電性とともにプロセススピード２００ｍｍ／秒以上の高速カラー印字に好適となり、さらにＯＰＣ感光体が搭載された他の画像形成要素との間で帯電や感度特性の差が小さくなり、光感度を高めたことで、異種の感光体を搭載しても、カラープリンタとして十分に実用性がある画像形成装置となった。その上、ａ−Ｓｉ電荷注入阻止層にＶａ族元素をドーピングしないでも負極性に良好に帯電でき、これによってホスフィンガスなどを使用しないことで、生産コストを下げることができた。
【００２５】
画像形成装置の構成
図１は本発明の画像形成装置であって、まず図３に本発明に係るプリンタ様式の画像形成要素７の原理を示す。８は感光体であり、この感光体８の周面に負電荷を付与する帯電手段であるコロナ帯電器９と、その帯電後に光照射する露光手段であるＬＥＤヘッド１０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を備えた現像手段である現像機１２と、そのトナー像を被転写材１３に転写する転写手段である転写器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。
【００２６】
このカールソン法はつぎの▲１▼〜▲６▼の各プロセスを繰り返し経る。
▲１▼感光体８の周面をコロナ帯電器９により負帯電する。
▲２▼ＬＥＤヘッド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。
▲３▼この静電潜像を現像機１２により現像する。この現像により着色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。
▲４▼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。
▲５▼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。
▲６▼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。
【００２７】
つぎに図１の画像形成装置１８において、７ａはブラック用の画像形成要素（図中Ｋで表示する）、７ｂはイエロー用の画像形成要素（図中Ｙで表示する）、７ｃはシアン用の画像形成要素（図中Ｃで表示する）、７ｄはマゼンタ用の画像形成要素（図中Ｍで表示する）である。そして、画像形成要素７ａ（Ｋ）に上記感光体１を搭載し、他の各画像形成要素７ｂ（Ｙ）、７ｃ（Ｃ）、７ｄ（Ｍ）に公知のＯＰＣ感光体を搭載する。また、搬送ベルト１９の上に被転写材１３としての用紙を乗せて、それを矢印方向へ移動させる。
【００２８】
かくして上記構成の画像形成装置１８によれば、画像形成要素７ａ（Ｋ）の感光体Ａの帯電がＯＰＣ感光体と比べ、２００Ｖ以下の帯電差となり、印字ムラが生じなくなり、鮮明なカラー画像が得られるカラー用の画像形成装置が提供できた。しかも、画像形成要素７ａ（Ｋ）の感光体Ａの耐久性能を向上させたことで、プロセススピードが２００ｍｍ／秒以上の高速カラー印字ができるとともに、カラー印字とモノクロ印字との間で使い分けしても、全体としての品質を長期間にわたって維持できた。
【００２９】
また、画像形成装置１８において、各画像形成要素７ａ（Ｋ）、７ｂ（Ｙ）、７ｃ（Ｃ）、７ｄ（Ｍ）のすべてに対しａ−Ｓｉ感光体１を搭載してもよく、これにより、各感光体に対しドラム電流を変える必要がなく、そのための回路設計が不要となった。しかも、帯電差がなくなり、さらに感度特性が同一となり、そのために各感光体における濃度差がなくなって、高速カラー印字に適している。
【００３０】
【実施例】
（例１）
画像形成要素７ａ（Ｋ）の感光体１をつぎのように作製した。
純度９９．９％のＡｌからなる円筒状の基板２（外径１８０ｍｍ、長さ３７２ｍｍ）の上にプラズマＣＶＤ法によって感光層３を成膜形成する。この感光層３は表１に示すとおりの成膜条件にて順次電荷注入阻止層４、光導電層５、表面保護層６とを積層した構成である。表面保護層６については、成膜開始から終了までのＳｉＨ₄とＣＨ₄の流量を漸次変え、これに伴って成膜速度も変えている。
【００３１】
【表１】

【００３２】
他方のＯＰＣ感光体については、Ａｌからなる円筒状の基板の上に下引層（中間層）と、膜厚１μｍ以下のキャリア発生層と、膜厚１５〜４０μｍのキャリア輸送層とが順次積層されたものであって、下引層は水溶性もしくはアルコール可溶性の樹脂、熱硬化性や光硬化性樹脂で、キャリア発生層は樹脂バインダ中に微粒子の顔料が分散されたもので構成し、さらにキャリア輸送層は正孔移動度の大きな電子供与性を備えて、キャリア輸送材料を樹脂バインダ中に分散溶解した層である。
【００３３】
そして、上記光導電層５を成膜するに当たって、表２に示すように高周波電力を変えることで、幾とおりものＩＲ比〔Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ）〕となし、それぞれの感光体を画像形成要素７に搭載し、さまざまな構成の画像形成装置１８を作製した。
【００３４】
【表２】

【００３５】
印字品質は○と×に区分し、○印はプロセススピード２００ｍｍ／秒において実用上支障のない優れた印字品質が得られた場合であり、×印は印字不良が認められた場合である。
【００３６】
表２に示す結果から明らかなとおり、本発明の試料Ｃ〜試料Ｆではまったく印字不良が生じなくなり、優れた画像特性が得られた。ちなみに、これらの画像形成要素７ａ（Ｋ）の感光体Ａの帯電が−６２０Ｖ前後であり、上記ＯＰＣ感光体の帯電が−８００Ｖであり、両者間の帯電差は約１８０Ｖであった。
【００３７】
これに対し試料Ａと試料Ｂでは高周波電力が低いので、成膜装置内で放電が均一に広がらず、とくに上下端付近での膜が薄くなり、これによって軸方向にわたって成膜ムラが生じ、両端部での膜の密着性に劣り、剥がれる場合もあった。また、試料Ｇでは全般的に薄い黒ベタが生じ、試料Ｈでは黒ベタがかすれるように発生していた。
【００３８】
（例２）
つぎに本発明の試料Ｃ〜試料Ｆの各感光体を搭載した画像形成装置１８を使用して、画像形成要素７ａ（Ｋ）に対しプロセススピード２００ｍｍ／秒にて耐刷試験（５０万枚）をおこなった。その結果、キズ等がまったく発生せず、良質な画質が得られた。これに対し画像形成要素７ａ（Ｋ）の感光体に従来のＯＰＣ感光体を使用した場合には感光体表面にキズが発生し、画質上白地に黒すじが発生していた。
【００３９】
（例３）
本例においては、試料Ｃの感光体を搭載した画像形成装置１８に対し、プロセススピードを変えることで、印字品質を評価したところ、表３に示すような結果が得られた。○印は濃度、かぶり、キズなどの点で画像品質が良好である場合であり、△印は暗減衰特性に関し帯電能が低下することで、かぶりが一部発生した場合であり、×印についてはさらに帯電能が低下し、全面にかぶりが発生し、十分な濃度が得られない場合である。
【００４０】
【表３】

【００４１】
表３の結果から明らかなとおり、プロセススピードを２００ｍｍ／秒以上にまで高めることで印字濃度に優れ、キズやかぶりが発生しなくなり、良好な画像品質が得られた。
【００４２】
また、試料Ｄ、試料Ｅ、試料Ｅのそれぞれの感光体を搭載した各画像形成装置１８に対し、同様にプロセススピードを変えることで、印字品質を評価したところ、表３に示す結果と同じになった。
【００４３】
（例４）
画像形成要素７ａ（Ｋ）、７ｂ（Ｙ）、７ｃ（Ｃ）、７ｄ（Ｍ）に搭載した各感光体のすべてを（例１）にて使用したａ−Ｓｉ感光体を用いた。これら各感光体にはすべてに試料Ｃを使用した場合、すべてに試料Ｄを使用した場合、さらに試料Ｅを使用した場合、さらに試料Ｆを使用した場合、というように変えることで、それぞれに対し（例３）と同様にプロセススピードを変えることで、印字品質を評価したところ、表３に示すような結果と同じになった。
【００４４】
また、本例のようにすべてをａ−Ｓｉ感光体により構成すると、（例１）の画像形成装置と比べ、各感光体での帯電能および光感度特性に差がないことで、マシン設定（ドラム流れ込み電流および露光光量）が容易になり、しかも、各感光体間での濃度差がなくなることで、いっそう高速カラー印字に適するようになった。そして、プロセススピード２００ｍｍ／秒にて耐刷試験（５０万枚）をおこなったところ、カラー印字の枚数が増え、シアン、アゼンタ、イエローの各感光体の使用頻度が増えても、キズ等が発生しなくなり、長期間にわたって優れたカラー表示の印字ができ、良好な耐久性が得られた。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等は何ら差し支えない。たとえば、この実施形態では露光手段としてＬＥＤヘッドを用いたが、これに代えてレーザー光、ハロゲン光等を用いてもよい。
【００４７】
また、本発明によれば、モノクロ印字に対する耐久性を高めることで、カラー印字との間で十分に使い分けができ、全体としての印字性能を長期間にわたって維持できた長期信頼性の画像形成装置が提供できた。
【００４８】
さらにまた、本発明によれば、ａ−Ｓｉ電荷注入阻止層に１５族元素をドーピングしないでも負極性に良好に帯電でき、これによってホスフィンガスなどを使用しないことで、生産コストを下げることができた。
【００４９】
また、すべてをａ−Ｓｉ感光体により構成すると、各感光体での帯電能および光感度特性に差がないことで、マシン設定が容易になり、これによって高品質かつ高耐久性とともに、低コスト化も達成できた。そして、カラー印字でもってシアン、アゼンタ、イエローの各感光体の使用頻度が増えても、長期間にわたって優れたカラー表示の印字ができ、良好な耐久性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像形成装置の概略図である。
【図２】発明の実施形態に係る感光体の層構成を示す一部断面図である。
【図３】本発明の画像形成要素の概略図である。
【符号の説明】
１感光体
２基板
３感光層
４電荷注入阻止層
５光導電層
６表面保護層
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ
画像形成要素
Ａ、８感光体
９コロナ帯電器
１０ＬＥＤヘッド
１１トナー
１２現像機
１３被転写材
１４転写器
１５クリーニング手段
１６除電手段
１８画像形成装置
１９搬送ベルト

Claims

感光体と、該感光体の表面に負電荷を付与する帯電手段と、感光体の帯電領域に対し光照射する露光手段とから成り、これら帯電手段と露光手段とにより感光体の表面に静電潜像を形成するとともに、該静電潜像に対応した着色トナー像を感光体の表面に形成する現像手段と、該着色トナー像を被転写材に転写する転写手段と、該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と、該転写後に残余静電潜像を除去する除電手段とを配設した画像形成要素を複数配列して成り、少なくとも一つの画像形成要素に搭載される感光体は、赤外線吸収スペクトルにおいて波数２０００ｃｍ⁻ ¹での強度Ｉａと、波数２１００ｃｍ⁻ ¹での強度Ｉｂとが０．２２≦Ｉｂ／（Ｉａ＋Ｉｂ）≦０．３５の関係式を満たすアモルファスシリコン光導電層と、周期律表１３族元素及び周期律表１５族元素をノンドープとしたアモルファスシリコン電荷注入阻止層とを少なくとも有しており、プロセススピードを２００ｍｍ／秒以上にしたことを特徴とするタンデム型電子写真方式の画像形成装置。