JP4890906B2 - 電荷付与装置、およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、被電荷付与部材の被電荷付与面に対して電荷を付与する電荷付与装置、及びこれを備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関する。

電子写真プロセスは、感光体を一様に帯電させる帯電部など各部でコロナ放電を利用する場合が多い。従来広く用いられてきているこのコロナ帯電方式は、白金やタングステンの直径５０〜２００μｍ程度のワイヤー電極やステンレス材料などの針状電極の周囲に導電性のケース電極を設け、電極とケースの間に直流もしくは交流の高圧バイアスを印加して、電極周辺での空気分子が電離したイオンを用いて、感光体を帯電させるものであり、遠距離からの均一な帯電が可能であることを特徴としたものであるが、空気を電離・イオン化させるため、オゾン、窒素酸化物といった放電生成物が生成される。その発生量はオゾン、窒素酸化物ともに６０分帯電後で４〜１０ｐｐｍにも上ることが知られている。オゾンは、高濃度で画像形成装置内に滞留すると、感光体表面を酸化し、感光体光感度の低下や帯電能の劣化を生じさせ、形成画像が悪化する（例えば、非特許文献１ 参照。）。また、感光体以外の部材の劣化が促進され、部品寿命が低下する等の不具合もある。

窒素酸化物は、空気中の水分と反応して硝酸が、また金属などと反応して金属硝酸塩が生成される。これらの生成物は低湿環境下では高抵抗であるが、高湿環境下では空気中の水と反応し、低抵抗となる。よって、感光体表面に硝酸または硝酸塩による薄い膜が形成されると、画像が流れたような異常画像が発生する。これは硝酸、硝酸塩が吸湿することで低抵抗となり、感光体表面の静電潜像が壊れてしまうためである。
さらに、窒素酸化物は放電後も空気中に分解されずにその場に留まっているため、窒素酸化物から生成された化合物の感光体表面への付着は、帯電を行っていないとき、すなわち、プロセスの休止期間中にも生じる。そして、この化合物は、時間が経過するにつれて、感光体の表面から内部に浸透し、感光体の劣化の一因となっている。
感光体表面の付着物は、クリーニング時に感光体を少しずつ削りとることで除去するといった方法が取られている。しかしながら、コスト上昇や経時による劣化問題が起こり、本質的な解決策とはなっていない。

コロナ帯電方式は電極間の距離が離れた放電のため印加電圧がかなりの高電圧（４ｋV〜１０ｋV）となるほか、帯電電位は感光体が回転し帯電部材近傍を通過する帯電時間によって変わるため必要な帯電電位（４００V〜１０００V）を得るためには感光体速度が大きい場合にはケース電極の感光体回転方向の幅を大きくする必要があり、プリント速度が速い画像形成装置では小型化しにくいという問題点がある。
また、近年広く使用されている近接ローラ帯電方式では、感光体近傍に保持した帯電部材（帯電ローラ）と感光体との間に、直流あるいは交流のバイアスを印加し、両者間の空隙で放電を生じさせ、感光体を帯電させるものである。この方式では、パッシェンの放電則に則った帯電現象を利用しており、所望の帯電電位に対し放電開始電圧分だけ大きい電位差を形成する事で、望みの帯電電位を得ている。交流バイアス印加の場合、近接帯電部材と感光体との間で電界の向きが時間とともに交互となり、放電、逆放電が繰り返される。交流バイアス方式では、放電、逆放電によって、電界が平均化され均一な帯電が得られる利点があるが、放電による感光体へのハザードが非常に大きくなっている。

このように、感光体への電荷付与はこれまで何らかのパッシェン放電をともなう帯電手段で行われており、放電によって放電生成物が感光体表面に付着したり、放電により生じた活性な気体によって感光体表面が酸化されたりするハザードは避けられない。そのため現在、経時において画質を維持するために感光体の表面を微小に削りながら使用している。一方、感光体を削ることは消耗であり、長期的な観点から避けることが好ましいが、前述の感光体ハザードによる画質劣化防止とトレードオフとなっており、根本的な解決が困難である。
ところで、帯電部材を感光体に接触させて感光体を帯電させる接触帯電装置が提案、実用化されている。例えば、ローラ状の帯電部材を感光体上に接触従動させて感光体の帯電を行うものが知られている。この接触帯電方式は、従来用いられているコロナ帯電方式に比べて、オゾンの発生量、直流電圧印加時の６０分帯電後のオゾン発生量は０．０１ｐｐｍと、コロナ帯電方式に比較すると少なく、また印加電圧が低いため電源のコストが小さくなる、電気絶縁の設計が行ないやすい等の利点を有している。もちろん、上記のオゾン、ＮＯｘなどによる不具合も低減する。

これらの方法としては、その接触または近接部分近傍に狭い空間を形成し、パッシェンの法則で解釈できるような放電を形成することにより、感光体を帯電する方法が挙げられる（例えば、特許文献１、２ 参照。）が、これらの場合に、帯電開始電圧以上の直流電圧を導電性部材に印加する方法や、目標帯電電位に相当する直流電圧に交流電圧を重畳した振動電圧を印加することで帯電均一化を一層促進する（例えば、特許文献３ 参照。）ことができる。
しかしながら、交流電圧を印加すると、帯電部材と感光体との間で電界の向きが時間と伴に交互となり、放電、逆放電が繰り返され、放電、逆放電によって、電界が平均化されより均一な帯電が得られる利点があるが、電流量がふえるため、オゾン、窒素酸化物の発生量も電流量が増えるに従って多くなり、交流印加条件によっては６０分帯電後にコロナ帯電方式に近い３ｐｐｍものオゾンが発生することもある。
また、一方で別の試みとして例えば、電圧を印加した前記導電性部材を感光体に接触させ、感光体表面にあるトラップ準位に電荷を注入して接触注入帯電を行なう方法（例えば、特許文献４ 参照。）を挙げることができる。これらの方法における導電性部材としては、接触／離間状態や形状の制御のしやすさといった観点から、ローラ形状の導電性部材（帯電ローラ）が汎用的に使用される。

しかしながら、帯電部材がゴム材であるため、長期間、コピー機を停止させた場合、感光体に接した状態にあるローラが変形する可能性がある。また、ゴムは吸水しやすい材料であるため環境の変化に伴う電気抵抗変動が大きい。
さらに、ゴムはその弾性を発揮させるためや劣化防止のため数種の可塑剤や活性剤を必要としており、導電性顔料を分散させるためには分散補助剤を用いることも少なくない。つまり、感光体の表面はポリカーボネートやアクリルといった非晶性樹脂であるため、上述の可塑剤や活性剤および分散補助剤に対し非常に弱い。
また、接触帯電方式では帯電部材と感光体との間に異物を巻き込み、帯電部材が汚染されて帯電不良が発生する、直接感光体にローラが触れているために長期保存した場合に感光体が汚染され、そのために横スジ等の画像不良を生じることがある。

そこでこれらに変わる帯電技術として、電子放出材料を用いた方式が着目されつつある。その一種のカーボンナノ材料についての研究は近年盛んに行われており、その中でもカーボンナノチューブについての研究は広く行われ、高い電子放出能が示唆されている。
電子放出源としてのカーボンナノチューブの応用として、画像形成装置における電荷付与部材として使用する技術は、いくつかの出願で開示されている（例えば、特許文献５ 参照。）。この文献では、カーボンナノチューブ先端部分の構成要素を規定しカーボンナノチューブの耐久性を向上させると共に、帯電器として非接触、接触で使用可能である事が示されている。電子放出源として像担持体を帯電させる出願もある（例えば、特許文献６ 参照。）。この出願では、平行平板でのパッシェン放電に着目し、帯電器表面と被帯電体との間の電界強度を規定している。
しかしながらカーボンナノ材料は有機物であるため、電子写真方式で使用される様な大気中での電子放出では放出された電子よって励起された酸素原子によってカーボンナノ材料そのものが酸化され、燃焼により分解されてしまい、構造的に非常に弱く所望の寿命を達成できないという問題点がある。

特開昭５６−１０４３５１号公報 特開昭５７−１７８２５７号公報 特開昭６３−１４９６６９号公報 特開平８−１０６２００号公報 特開２００１−２５０４６７号公報 特開２００１−３５６５６８号公報 明珍寿史 他、「オゾンによる感光体劣化軽減のためのコロナチャージャの開発」、電子写真学会誌、第３１、１、１９９２

上記課題を解決し、オゾン、ＮＯｘの発生量が少なく、低電圧電源の使用で電源コストを低減し、非電荷付与する表面の劣化を低減する電荷付与装置を提供することを目的とする。
また、電子放出により発生したイオンを介して対極表面へ電荷が付与されるが、連続使用すると画像記録装置内に存在するトナーや紙粉などが、電子放出面に付着する。このため、電子の放出効率の低下により対極表面の帯電ムラが発生し、画像濃度ムラの異常画像が発生する。本発明はこれを防止し安定した画像を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、互いに対向する２つの電極の両電極間に電界を形成するための電界形成部を有し、被電荷付与部材の被電荷付与面に対して電荷を付与する電荷付与装置において、前記２つの電極のいずれか一方の電極の、他方の電極に対向する箇所に、支持部材、電極、電子放出層から構成されるとともに電界中で電荷を放出する電子放出部を設け、前記両電極間に電圧を印加する電圧印加制御手段を設け、該電圧印加制御手段は、前記両電極間に印加する電圧を２つ以上選択可能に構成し、前記被電荷付与面に所定の電荷を付与するための電圧をＶｔとし、それ以外に選択可能な電圧の任意の１つをＶｓとするとき、Ｖｔ＜Ｖｓとし、前記被電荷付与面に前記所定の電荷を付与する前の放電開始初期には電圧をＶｓとする電荷付与装置であって、該電圧Ｖｓは、放電開始初期に前記電子放出部の前記電極と前記電子放出層とを導通させて導通部を形成するとともに該導通部を安定させる電圧であることを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電荷付与装置において、前記電子放出部材はＳＰ３結合性材料を用いて構成したことを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の電荷付与装置において、前記ＳＰ３結合性材料はＳＰ３結合性窒化ホウ素であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の電荷付与装置において、前記ＳＰ３結合性窒化ホウ素は、５Ｈ型、または６Ｈ型結晶を主な結晶形態として含むことを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１に記載の電荷付与装置において、前記電圧Ｖｓは、パッシェン則の放電開始電圧であることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電荷付与装置を用いた画像形成装置を特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の画像形成装置において、非画像形成時に印加電圧を前記電圧Ｖｓにすることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の画像形成装置において、所定の累積時間経過ごとに、印加電圧を前記電圧Ｖｓにすることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項７に記載の画像形成装置において、所定の画像形成枚数経過ごとに、印加電圧を前記電圧Ｖｓにすることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項６ないし９のいずれか１つに記載の画像形成装置において、印加電圧を前記電圧Ｖｓにする時に、前記被電荷付与面に影響を与えない状態で行うことを特徴とする。

本発明によれば、電荷を付与する目的とは異なる電界強度にすることで電子放出効率UPや安定させることができる。
また、パッシェン則より低電位でイオンを生成できるので、空気分子の電離によるNOｘやオゾンを低減できる。被電荷付与面の劣化を防止し、安定した電荷を付与できる。
その他の効果は詳細な説明の中で説明する。

図１は本発明の電荷付与装置を用いた画像形成装置を示す図である。
同図において符号１は感光体ドラム、２は帯電装置、４は書き込み光、５は現像装置、６は搬送ベルト、７は転写装置、８はクリーニング工程、９は除電装置、１０は定着装置
をそれぞれ示す。
導電性基体と感光体層とから構成される感光体ドラム１と対向する位置に、帯電装置２を配置する。帯電装置２と感光体ドラム１表面との距離を１ｍｍとし、上述した帯電装置２に電圧を印加して生成された負イオンは感光体ドラム１上に付着し、感光体ドラム１を帯電する。帯電後の感光体ドラム１は２００ｍｍ／ｓｅｃで回転し、図示しない書込み装置からの書き込み光４により静電潜像が形成される。その後、現像装置５により潜像がトナーなどの現像剤で現像され可視像となり、感光体ドラム１上に形成されたトナー像は次に転写装置７により記録紙などの転写材に転写される。トナー像が転写された後、感光体ドラム１上には微量の転写残トナーが残るが、次のクリーニング工程８によりクリーニングされ、次に感光体ドラム１は必要に応じて除電装置９により除電され、再び帯電装置２により帯電されて画像形成プロセスを繰り返し行なう。
あるいは、クリーニング工程のない、クリーナレスプロセスを行い、転写残トナーを現像装置により回収するようにしてもよい。

図２は本発明の電子放出材料を用いた帯電装置２の概略を示す図である。
同図において符号１０１は導電性基体、１０２は感光体層、１１０、１１１は電源、２０１は支持部材、２０２は電極、２０３は電子放出部材からなる電子放出層、２０４はケース、２０５は対向電極としてのグリッドをそれぞれ示す。
電子放出部は、支持部材２０１上に電極２０２、電子放出層２０３の薄膜あるいは粉体を分散して電子放出素子を順次固定化し形成され、対向電極２０５と対向している。電極は厚さ０．１ｎｍ〜１０μｍの範囲であればよく、今回は１００ｎｍ程度とした。電子放出層２０３の下部の電極２０２の材料はＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｒｕ、Ｔａなど、いかなる金属材料でも構わない。今回は生産性、耐熱性などの面で優れているＣｒを利用した。
その電子放出部を囲う絶縁性のケース２０４を配置し、その一面には対向電極２０５としてステンレス製のグリッド（以下グリッド２０５と言う）を配置し、感光体ドラム１に対向している。グリッド２０５には電源１１１を接続する。グリッド２０５としては従来からスコロトロン帯電方式で用いているハニカム構造のステンレス板を用いたが、電子が通過する構造の導電性膜や穴のあいた導電性板状部材を使用しても良い。

電源１１０より電極２０２に電圧を印加することにより電極２０２と対向電極としてのグリッド２０５による電界で形成された電子放出層２０３から電子を放出する。放出された電子は大気中の気体分子、例えば酸素、二酸化炭素、窒素またはこれらに水が付着した分子に付着し、負イオンを生成しこれらが加速電極として作用するグリッド２０５を通過して感光体ドラム１へ付着することによって感光体ドラム１が帯電する。
本発明の画像形成装置は、電子放出素子を帯電装置として用いた画像形成装置であって、電子放出素子から電子放出させて像担持体表面を帯電させることを特徴とする。
電子放出層２０３は、電子放出材料の中でも特に特性に優れるＳＰ３結合性ＢＮの膜を形成している。この材料は本発明者らが優れた電子放出特性を示す材料を探索中に、特定の条件下で製作した窒化ホウ素の中には、これを膜状に生成した場合、電界電子放出特性に優れた表面形状を呈してなるものが生成できることを見出した。ＳＰ３結合性ＢＮについて詳細な説明は後述する。

図３は実験に用いた帯電装置の概要を示す図である。
図４は実験結果の電圧電流特性を示す図である。
このような電子放出素子を用いた帯電装置で、その帯電性能を測定したところ以下のことが分かった。
対向電極として感光体ドラム１そのものを用い、前述した電子放出部の支持部材２０１、電極２０２、電子放出層２０３のみを用いて、電極２０２への印加電圧と素子電流の関係を測定した。ここでは放電間隔（距離）を５０μｍとし、他の構成は図１と同様であるが、帯電動作のみとした。
電子放出部を作成した直後では、図４の実線に示すように、得られた電流はある所定の電圧値を超えると急激に電流が増加した。その後再度、測定したところ点線に示すように同様な測定値ではなく、低電圧下でも電圧印加初期よりも大きい値を示した。その後の測定においては点線と同様な値を示しＶ−Ｉ特性は安定した。
これは、放電開始初期には電子放出部の電極である導電基板から電子放出層である薄膜への電気的な導通パスが未熟で高電圧を印加し、対極との間に発生した電界強度が大きくなることで導通部が安定したと考えられる。

図５は素子電流の経時変化を示す図である。
同図において縦軸は電流（Ｉ）、および電圧（Ｖ）を示す。横軸は時間（Ｔ）を示す。
線図の内、実線は電流値、太い点線は電圧値をそれぞれ示す。
同図において符号Ｉ０は目標電流値、Ｉ１は低下電流値、Ｖ０は所定の電圧値、Ｖ１は高電圧値をそれぞれ示す。
前記構成と同様で所定の電圧Ｖ０を印加した時の素子電流Ｉの経時変化を測定した。連続して電圧を印加すると時間Ｔ１で素子電流はＩ０からＩ１に低下した。しかし、そのとき高電圧Ｖ１を一時的に印加すると、電圧を定常状態Ｖ０に戻しても電流は元の値Ｉ０に増加することを確認した。さらに時間が経過すると同様に電流値が下がったが、時間Ｔ２で高電圧Ｖ１を一時的に印加したところ、同様な変化が生じた。上記電流増加（回復）への効果が大きく得られた電圧はパッシェン則の放電開始近傍の電圧であった。
この原因は不明だが、電子放出素子表面に大気中の阻害物質が付着しその電子の放出能力を低下させ、高電圧を印加することで電界強度が大きくなり高エネルギーな電子により剥離（溶射）される現象が発生したと考えられる。

図６は画像形成装置の主要部の概略図である。
同図において符号１１は帯電量測定手段を示す。
図７は帯電装置を制御する手段の構成を示すブロック図である。
同図において符号１２は制御手段、１３は印加時間計測手段をそれぞれ示す。
感光体ドラム１の回転方向で帯電装置２の下流側に感光体ドラム１表面の電荷を測定する帯電量測定手段１１を備えている。その他の構成は図１と同様なので省略する。帯電装置２の制御手段１２を画像形成装置本体に備えている。帯電装置２への通電量とタイミングを制御している。制御手段１２には帯電装置２へ通電する時間を計測する印加時間計測手段１３が接続され、上記帯電量測定手段１１からも信号が入力される。

図８は制御の概略を示す図である。
感光体ドラム１に帯電を行う前、すなわち電圧投入初期の場合は通常の画像形成時に印加する電圧Ｖｔより大きい電圧Ｖｓを所定の時間通電する処理を行う。電圧Ｖｓは必要に応じ複数レベル用意して、例えば、湿度などの環境条件によってレベルを選択できるようにしておくとよい。
また、画像形成動作を行い、印加時間計測手段１３から入力された帯電装置２へ通電した累積時間に相当する信号により、累積通電時間がＴｔを超えた場合も、その都度、通常の画像形成時に印加する電圧Ｖｔより大きい電圧Ｖｓを一時的に所定の時間通電する処理を行う。この場合、非画像形成時に処理すれば、利用者への影響を少なくすることができる。なお、Ｖｔは公称値であって、実際に印加する場合は、帯電量測定手段１１からのフィードバックによって微妙に制御される値である。
その後、通常の画像形成動作で感光体ドラム１表面の電位が所定の電位になるよう、予め制御手段１２に記録された電圧Ｖｔを通電し、そのときの帯電量測定手段１１から信号による感光体ドラム１の帯電量が適正になるよう電圧Ｖｔが制御され、累積時間はリセットされる。
高電圧Ｖｓの値はその構成で適宜選択されるが、より高い電圧を印加した場合の感光体１表面等の劣化を考慮し、ここではパッシェン則の放電開始電圧としている。

図９は他の制御の例を示す図である。
制御手段に画像形成の記録枚数Ｐ１を計測する手段を有し、記録枚数Ｐ１が所定の枚数を超えた場合に、通常の画像形成時に印加する電圧Ｖｔより大きい電圧Ｖｓを一時的に所定の時間通電する処理を行う。この場合も上記と同様に、非画像形成時に行うのがよい。その後は上述した制御と同様に通常記録の電圧Ｖｔを決定する。記録枚数Ｐ１もリセットする。
電子放出部の劣化が少ないことを利用して、非画像形成時に常に電圧Ｖｓを所定時間通電するようにしてもよい。
ここでは電子放出部へ印加する電圧を記録動作時に感光体ドラム１表面を所定の電位にするために印加する電圧より、高い電圧としたが、その目的は電界強度を大きくすることである。電界強度を大きくすることで電界中の電子放出素子の効率を向上させる効果を狙ったものである。

図１０は帯電装置２の実施形態を説明するための図である。
同図において符号２０１は電子放出部の支持部材、２０２は電極、２０３は電子放出層、２１０は第２の対向電極をそれぞれ示す。
帯電装置２としての電子放出部の支持部材２０１、電極２０２、電子放出層２０３を積層し、電子放出層２０３面を感光体ドラム１へ所定の距離で対向配置している。この帯電装置２は感光体ドラム１の中心軸と鉛直方向に移動可能に不図示の支持部材により配置している。帯電装置２の移動方向には、第２の対向電極２１０が感光体ドラム１と電子放出層２０３の距離より狭い配置になるよう固定し構成している。第２の対向電極２１０は導電性部材で構成されている。
通常の画像記録動作時は、帯電装置２は感光体ドラム１と対向する位置Ａで動作し、図５で示した一時的に高電圧を印加したい場合、すなわち高電界強度の処理を行なう場合は、高電界が感光体ドラム１に影響を与えないように、第２電極２１０に対向する位置Ｂへ帯電装置２を移動する。ここでは高電界強度を得るために前述した高電圧を印加することなく、通常記録動作時の電圧を帯電装置２へ印加する。電子放出層２０３と第２電極２１０の距離が近いので高い電界強度が得られ、同等のリフレッシュ効果が得られる。

更に、第２電極２１０でより高い電界強度を得るために印加電圧を大きくすると、よりそのリフレッシュ効果が得られる。第２電極２１０が感光体ドラム１に影響を与えない位置に配置されているので、電子放出素子に感光体ドラム１が対向する場合の感光体の劣化のように画像形成に影響がないので、第２電極と電子放出部を本発明のように構成すると高電界強度を得るためには好適である。
本発明の構成に限定するものではなく、電界強度を画像形成時より大きくする他の構成
であってもその効果が得られるものであればなんら問題ない。

ここで、５Ｈ−ＢＮ、６Ｈ−ＢＮ（窒化ホウ素）について説明する。
先に述べたＳＰ３結合性ＢＮ（Ｓｐ^３−ｂｏｎｄｅｄ ５Ｈ−ＢＮ、６Ｈ−ＢＮ）は、特に空気中における電子放出特性にも優れる好ましい材料である。ＳＰ３結合性ＢＮ膜は電界電子放出特性に優れた表面形状、すなわち、先端の尖った状態を呈した形状が自己造形的に形成されてなる特異な構成を有したＳＰ３結合性窒化ホウ素膜体が作製できる。これによって、電界電子放出閾値が低く、電流密度の高い、また、電子放出寿命の長い極めて良好な、まさに電界電子放出材料として理想的な新規材料を、特段の加工手段、加工プロセスによることなく作製できる。

窒化ホウ素を気相からの反応によって基板上に生成堆積する場合、基板近傍にエネルギの高い紫外光を照射すると基板上に窒化ホウ素が膜状に形成され、且つ膜表面上には、先端が尖った状態を呈した形状の窒化ホウ素が適宜間隔を置いて光方向に自己組織的に生成、成長すること、そしてその得られてなる膜は、これに電界をかけると容易に電子を放出し、しかもこれまでのこの種材料から考えると、破格といってもいい大電流密度を保ちながら、材料の劣化、損傷、脱落のない極めて安定した状態、性能を維持し得る、極めて優れた電子放出材料であることを確認、知見したものである。
この材料が、電界電子放出特性に優れた表面形状が気相からの反応によって自己造形的に形成されるためには、紫外光の照射が必要である。このことは、後述の材料生成の詳細な条件で明らかにするが、その理由については現段階では必ずしも定かではない。しかし、次のように考えることができる。

すなわち、自己組織化による表面形態形成は、いわゆる「チューリング構造」として把握され、前駆体物質の表面拡散と表面化学反応とが競合するある種の条件において出現する。ここでは、紫外光照射がその両者の光化学的促進に関わり、初期核の規則的な分布に影響していると考えられる。紫外光照射により表面での成長反応が促進されるが、これは光強度に反応速度が比例することを意味する。初期核が半球形であると仮定すると、頂点付近では光強度が大きく、成長が促進されるのに対して、周縁部分では光強度が弱まり成長が遅れる。これが先端の尖った表面形成物の形成要因の一つであると考えられる。何れにしても紫外光照射が極めて重要な働きをなしており、これが重要なポイントであることは否定できない。
以下にこの材料の生成方法についてより詳細に説明する。

図１１はＣＶＤ反応容器を説明するための図である。
同図において符号４５は反応容器（反応炉）、４６はガス導入口、４７はガス流出口、４８は光学窓、４９はプラズマトーチ、５０は基板、５１はエキシマ紫外レーザ光、５２はプラズマをそれぞれ示す。
同図に示す構造のＣＶＤ反応容器は、本発明の電子放出素子を用いた電子源基板および該基板を用いた画像表示装置に好適に使用される電子放出特性の優れたＳＰ３結合性ＢＮを得る気相反応を実施するのに使用されたものである。
反応容器４５は、反応ガス及びその希釈ガスを導入するためのガス導入口４６と、導入された反応ガス等を容器外へ排気するためのガス流出口４７とを備え、真空ポンプに接続され、大気圧以下に減圧維持されている。容器内のガスの流路には窒化ホウ素が析出する基板５０が設定され、その窒化ホウ素が析出する基板５０に面した反応容器の壁体の一部には光学窓４８が取り付けられ、この窓を介して基板５０にエキシマ紫外レーザー光５１が照射される。

反応容器４５に導入された反応ガスは、基板表面において照射される紫外光によって励起され、反応ガス中の窒素源とホウ素源とが気相反応し、基板上に、一般式：ＢＮで示され、５Ｈ型多形構造、または６Ｈ型多形構造を有してなるＳＰ３結合性ＢＮが生成し、析出し、膜状に成長する。
その場合の反応容器４５内の圧力は、０．００１〜７６０Ｔｏｒｒの広い範囲において実施可能である。また、反応空間に設置された基板５０の温度は、室温〜１３００℃の広い範囲で実施可能であるが、目的とする反応生成物をより高純度で得るためには、圧力は低く、また高温度で実施した方が好ましい。

なお、基板表面ないしその近傍空間領域に対して紫外光５１を照射して励起する際、プラズマ５２を併せて照射するのもよい方法である。同図において、プラズマトーチ４９は、この態様を示すものであり、反応ガス及びプラズマ５２が基板に向けて照射されるよう、反応ガス導入口４６と、プラズマトーチ４９とが基板に向けて一体に設定されている。
以下にさらに具体的な条件に基づいて説明する。ただし、以下に開示する条件は、あくまでも本発明に好適に適用されるＳＰ３結合性ＢＮを理解するための一助として開示するものであって、この条件のみによって本発明が限定されるものではないことはいうまでもない。

＜生成条件例１＞
アルゴン流量２ＳＬＭ、水素流量５０ｓｃｃｍの混合希釈ガス流中にジボラン流量１０ｓｃｃｍ及び、アンモニア流量２０ｓｃｃｍを導入し、同時にポンプにより排気することで圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中にて、加熱により８００℃に保持したシリコン基板上に、エキシマレーザー紫外光を照射した（図１１参照）。６０分の合成時間により、所望の薄膜を得た。薄膜生成物をＸ線回折法により同定した結果、この試料の結晶系は六方晶であり、ＳＰ３結合による５Ｈ型多形構造の結晶形態で、格子定数は、ａ＝０．２５ｎｍ、ｃ＝１．０４ｎｍであった。
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、この薄膜は電界集中の生じやすい先端の尖った円錐状の突起構造物（０．００１μｍ〜数μｍの長さ）に覆われた特異な表面形状が自己造形的に形成されていることが観察された。

この薄膜の電界電子放出特性を調べるため、径１ｍｍの円柱状の金属電極を表面から３０μｍ離して真空中で薄膜−電極間に電圧を印加し、電子放出量を測定した結果、電界強度１５〜２０（Ｖ／μｍ）において、電流密度の増大が見られ、２０（Ｖ／μｍ）において、測定用高圧電源の限界電流値（１．３Ａ／ｃｍ^２相当）にて飽和していることが明らかとなった。
また、この時の電流値の時間変化を調べたところ、約１５分の間、電流値に多少の揺動が認められたが、ほぼ平均的な電流値が維持され、材料劣化による電流値の減少は見られず、安定な材料であることが確認された。さらに、この評価を空気中において行ってもほぼ同等の特性を示した。また、薄膜を微細な粒子状（０．０００５μｍ〜１μｍ）に粉砕し、それをペースト状にして塗膜、乾燥後その性能を評価したが、やはり同等の性能が得られた。

＜生成比較例１＞
比較のため、紫外光の照射以外は生成条件例１の条件と同様の条件で同時に作製した薄膜で、紫外光の照射されなかった部分の電界電子放出特性を調べた。その結果、電子放出開始の閾値電界強度が４２（Ｖ／μｍ）となり、紫外光照射を行って作製した生成条件例１の場合の１５（Ｖ／μｍ）に比べて大幅に高くなっていることがわかった。また、この部分は、走査型電子顕微鏡で観察したところ、電界電子放出による薄膜の損傷・剥離が見られた。一方、紫外光照射下で成長した突起状表面形状を示す部分には、電界電子放出実験の後、このような損傷は見出されなかった。

＜生成条件例２＞
アルゴン流量２ＳＬＭ、水素流量５０ｓｃｃｍの混合希釈ガス流中にジボラン流量１０ｓｃｃｍ及び、アンモニア流量２０ｓｃｃｍを導入し、同時にポンプにより排気することで圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中にて、出力８００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマを発生し、加熱により９００℃に保持したシリコン基板上に、エキシマレーザー紫外光を照射した（図１１参照）。
６０分の合成時間により、薄膜生成物を得た。この生成物を生成条件例１と同様の方法で同定した結果、結晶系は六方晶であり、ＳＰ３結合による５Ｈ型多形構造で、格子定数は、ａ＝０．２５ｎｍ、ｃ＝１．０４ｎｍであった。
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、この薄膜は電界集中の生じやすい先端の尖った円錐状の突起構造物（０．００１μｍ〜数μｍの長さ）に覆われた特異な表面形状が自己造形的に形成されていることが観察された。

この薄膜の電界電子放出特性を調べるため、径１ｍｍの円柱状の金属電極を表面から４０μｍ離して真空中で薄膜−電極間に電圧を印加し、電子放出量を測定した。その結果は、電界強度１８〜２２（Ｖ／μｍ）において、電流密度の増大が見られ、２２（Ｖ／μｍ）において、測定用高圧電源の限界電流値（１．３Ａ／ｃｍ^２相当）にて飽和していることが明らかとなった。また、空気中評価あるいは微細な粒子状評価も同様な結果が得られた。すなわち、生成条件例１と同様、安定な材料が得られたことが確認された。

＜生成条件例３＞
アルゴン流量２ＳＬＭ、水素流量５０ｓｃｃｍの混合希釈ガス流中にジボラン流量１０ｓｃｃｍ及び、アンモニア流量２０ｓｃｃｍを導入し、同時にポンプにより排気することで圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中にて、出力８００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマを発生し、加熱により９００℃に保持したニッケル基板上に、エキシマレーザー紫外光を照射した（図１１参照）。
６０分の合成時間により、薄膜生成物を得た。この生成物を生成条件例１と同様の方法で同定した結果、結晶系は六方晶であり、Ｓｐ３結合による５Ｈ型多形構造で、格子定数は、ａ＝０．２５１ｎｍ、ｃ＝１．０５ｎｍであった。
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、この薄膜は電界集中の生じやすい先端の尖った円錐状の突起構造物（０．００１μｍ〜数μｍの長さ）に覆われた特異な表面形状が自己造形的に形成されていることが観察された。

この薄膜の電界電子放出特性を調べるため、径１ｍｍの円柱状の金属電極を表面から４０μｍ離して真空中で薄膜−電極間に電圧を印可し、電子放出量を測定した。その結果は、電界強度１８〜２２（Ｖ／μｍ）において、電流密度の増大が見られ、２２（Ｖ／μｍ）において、測定用高圧電源の限界電流値（１．２Ａ／ｃｍ^２相当）にて飽和していることが明らかとなった。また、空気中評価あるいは微細な粒子状評価も同様な結果が得られた。すなわち、生成条件例１と同様、安定な材料が得られたことが確認された。
以上述べたとおり、本発明の電子放出素子を用いた電子源基板および該基板を用いた画像表示装置に好適に使用される電子放出特性の優れたＳＰ３結合性ＢＮは、電界電子放出特性に優れた表面形状、すなわち、先端の尖った状態を呈した形状が自己造形的に形成されてなる特異な構成を有してなるものである。

ＳＰ３結合性ＢＮは先端が尖った形状に限らず、微粒子の形態でも構わない。ここで述べる微粒子膜とは複数の微粒子が集合した膜であり、その微細構造として、微粒子が個々に分散配置した状態のみならず、微粒子が互いに隣接、あるいは重なり合った状態（いくつかの微粒子が集合し、全体として島状を形成している場合も含む）をとっている。微粒子の粒径は、０．１ｎｍないし１μｍであり、好ましくは０．１ｎｍないし２０ｎｍである。

以上のような条件で生成されたＳＰ３結合性ＢＮ膜を図３に示すように成膜した。ＳＰ３結合性ＢＮ膜は上記の生成方法では導電率の異方性を示すことが判った。ＳＰ３結合性ＢＮ膜の厚み方向には高い導電率を有するが、基板と平行方向では非常に低い導電率であった。これは隣接する電極間の抵抗値を測定することで明らかになった。このＳＰ３結合性ＢＮ膜に出現する導電率異方性に関してはそのメカニズムは不明であるが、ＳＰ３結合性ＢＮ膜はそもそも絶縁体であるが、膜厚方向において、何らかの導電パスが形成されている可能性がある。この導電パスが異方性を有していると理解できる。

本発明の電荷付与装置を用いた画像形成装置を示す図である。 本発明の電子放出材料を用いた帯電装置の概略を示す図である。 実験に用いた帯電装置の概要を示す図である。 実験結果の電圧電流特性を示す図である。 素子電流の経時変化を示す図である。 画像形成装置の主要部の概略図である。 帯電装置を制御する手段の構成を示すブロック図である。 制御の概略を示す図である。 他の制御の例を示す図である。 帯電装置の実施形態を説明するための図である。 ＣＶＤ反応容器を説明するための図である。

符号の説明

１ 感光体ドラム
２ 帯電装置
１０２ 感光体層
１１０、１１１ 電源
２０１ 支持部材
２０２ 電極
２０３ 電子放出層
２０５ 対向電極としてのグリッド

Claims (10)

1. 互いに対向する２つの電極の両電極間に電界を形成するための電界形成部を有し、被電荷付与部材の被電荷付与面に対して電荷を付与する電荷付与装置において、前記２つの電極のいずれか一方の電極の、他方の電極に対向する箇所に、支持部材、電極、電子放出層から構成されるとともに電界中で電荷を放出する電子放出部を設け、前記両電極間に電圧を印加する電圧印加制御手段を設け、該電圧印加制御手段は、前記両電極間に印加する電圧を２つ以上選択可能に構成し、前記被電荷付与面に所定の電荷を付与するための電圧をＶｔとし、それ以外に選択可能な電圧の任意の１つをＶｓとするとき、Ｖｔ＜Ｖｓとし、前記被電荷付与面に前記所定の電荷を付与する前の放電開始初期には電圧をＶｓとする電荷付与装置であって、該電圧Ｖｓは、放電開始初期に前記電子放出部の前記電極と前記電子放出層とを導通させて導通部を形成するとともに該導通部を安定させる電圧であることを特徴とする電荷付与装置。
2. 請求項１に記載の電荷付与装置において、前記電子放出部材はＳＰ３結合性材料を用いて構成したことを特徴とする電荷付与装置。
3. 請求項２に記載の電荷付与装置において、前記ＳＰ３結合性材料はＳＰ３結合性窒化ホウ素であることを特徴とする電荷付与装置。
4. 請求項３に記載の電荷付与装置において、前記ＳＰ３結合性窒化ホウ素は、５Ｈ型、または６Ｈ型結晶を主な結晶形態として含むことを特徴とする電荷付与装置。
5. 請求項１に記載の電荷付与装置において、前記電圧Ｖｓは、パッシェン則の放電開始電圧であることを特徴とする電荷付与装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電荷付与装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項６に記載の画像形成装置において、非画像形成時に印加電圧を前記電圧Ｖｓにすることを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項７に記載の画像形成装置において、所定の累積時間経過ごとに、印加電圧を前記電圧Ｖｓにすることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項７に記載の画像形成装置において、所定の画像形成枚数経過ごとに、印加電圧を前記電圧Ｖｓにすることを特徴とする画像形成装置。
10. 請求項６ないし９のいずれか１つに記載の画像形成装置において、印加電圧を前記電圧Ｖｓにする時に、前記被電荷付与面に影響を与えない状態で行うことを特徴とする画像形成装置。

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