JPH06255168A

JPH06255168A - イオン書き込みヘッドおよび印字装置

Info

Publication number: JPH06255168A
Application number: JP4665293A
Authority: JP
Inventors: Masashi Fuse; 雅志布施; Kazu Tomoyose; 壹友寄
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 1994-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で、イオンの利用効率を高くすること。【構成】基板２３上に形成された複数の個別電極２４
と、前記個別電極２４上に形成されたフィールドエミッ
タ２５と、前記フィールドエミッタ２５から電子を引き
出すためのゲート電極２７とを有し、フィールドエミッ
タ２５から大気中に電子を放出させ、大気中の気体分子
を電離して荷電粒子としてのイオンをリアルタイムに発
生させ、そのイオンを静電担持体２９上に直接衝突させ
て所望の静電潜像を形成することができるようにしたも
の。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘電体により構成され
る潜像担持体上に外部から画像に対応した荷電粒子を選
択的に付着させて静電潜像を形成するイオン書き込みヘ
ッドおよび印字装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、従来の電子写真方式において潜像
担持体として用いられている感光体と比較して、潜像担
持体の機械的な強度が高く、温度や繰り返しに対する安
定性も優れている誘電体により形成される潜像担持体を
用いた静電記録の一種であるイオン書き込み式の印字装
置が、高速で印字枚数が非常に多く、メンテナンスの頻
度の少ない業務用高速印字装置等に多用されている。そ
して、イオン書き込み式の印字装置は、感光体を用いた
電子写真方式の印字装置と比較して潜像電位の制御が容
易なため、トナーの付着量を制御することにより濃度階
調を有する印字に適しており、濃度階調の再現性が重視
されるフルカラーの印字装置等に適している。

【０００３】以下、このような従来のイオン書き込みヘ
ッドおよび印字装置について説明する。

【０００４】まず、従来のイオン書き込みヘッドについ
て説明する。

【０００５】図２２は従来のイオン書き込みヘッドの一
例を示すものであり、（ａ）は全体の形状を示す斜視図
であり、（ｂ）は要部の構成を示す縦断面図であり、
（ｃ）はライン電極とフィンガー電極との配置状態を示
す説明図である。

【０００６】図２２の（ａ）に示すように、従来のイオ
ン書き込みヘッド１ａ（以下、ヘッドという）は、一方
の表面にスクリーン電極２が設けられ、その表面に複数
の開口３が鋸歯状に配列して形成されており、全体とし
て略平板状とされている。そして、図２２の（ｂ）に示
すように、スクリーン電極２と、開口３を持つフィンガ
ー電極４と、ライン電極５とがそれぞれ所望の誘電体か
らなる絶縁層６を介して配設されている。また、図２２
の（ｃ）に示すように、フィンガー電極４の開口３とラ
イン電極５とは、マトリックス状に配置されている。そ
して、図２２の（ｂ）に示すように、ヘッド１ａは各開
口３を潜像担持体７に対向するようにして配設されてい
る。

【０００７】そして、ヘッド１ａのフィンガー電極４と
ライン電極５との間に、図示しない所望の駆動回路によ
り、例えば、周波数１ＭＨｚ、電圧１ｋＶ程度の高周波
電圧を印加し、フィンガー電極４の周辺の空気中に放電
による荷電粒子としてのイオン８（図２２の（ｂ））を
発生させるようになっている。また、図２２の（ｃ）に
示すように、ライン電極５は複数個設けられており、順
次その中の一つに高周波電圧が印加されるようになって
いる。そして、スクリーン電極２には、−６００Ｖの直
流電圧が印加され、フィンガー電極４には待機時に−７
００Ｖ、印字時に−４００Ｖの電圧が印加されるように
なっている。さらに、印字時のパルス幅は、例えば、２
０μＳ程度とされ、フィンガー電極４の周辺の空気中に
発生した、例えば、マイナス極性のイオン８をスクリー
ン電極２により制御し、図２２の（ｂ）に示すように、
開口３を通して潜像担持体７に衝突させるようになって
いる。

【０００８】前記潜像担持体７は、金属ドラム９の表面
に所望の誘電体層１０が形成されたいわゆる誘電体ドラ
ム１１とされ、前記金属ドラム９は接地されている。そ
して、前述したように、荷電粒子としてのマイナス極性
のイオン８を誘電体ドラム１１の表面に衝突させること
により、図示しない所望の画像に対応した静電潜像を誘
電体ドラム１１の表面に形成するようになっている。

【０００９】従来のイオン書き込みヘッドの他の例を図
２３により説明すると、この従来のヘッド１ｂにおいて
は、荷電粒子としてのイオン８の発生にコロトロン１２
を用いており、その前面に所望の複数の開口１３を有す
る二枚の制御電極１４，１４が配置され、適宜な駆動回
路１５により駆動されるようになっている。そして、二
枚の制御電極１４，１４の間に加える電圧の極性によ
り、コロトロン１２にて発生させたイオン８、例えば、
プラス極性のイオン８が開口１３から潜像担持体７へ到
達させるか否かを制御するようにされている。また、二
枚の制御電極１４，１４の間の距離は、例えば、１００
μｍ程度とされ、開口１３の直径は２００μｍ程度とさ
れている。さらに、ヘッド１ｂの解像度は８ドット／ｍ
ｍ程度とされている。また、前記開口１３は、前述した
図２２の（ａ）に示すヘッド１ａの開口３と同様に鋸歯
状に配列されている。

【００１０】つぎに、従来の印字装置について図２４に
より説明する。

【００１１】図２４に示すように、従来の印字装置１６
は、潜像担持体７としての誘電ドラム１１が図において
矢印にて示すように時計方向に回転自在とされて配置さ
れており、この誘電ドラム１１の周囲に、図において上
部から時計方向に、誘電ドラム１１上に図示しない静電
潜像を形成する潜像形成手段としてのイオンカートリッ
ジと称される前述したヘッド１（符号は従来のヘッド１
ａ，１ｂを総称し、図においてはヘッド１ａを示す）
と、静電潜像を図示しないトナーにより顕像化する現像
手段としての適宜な現像器１７と、トナーにより顕像化
された静電潜像を用紙などの記録媒体１８上に転写する
とともに定着する転写定着手段としての適宜な加圧ロー
ラ１９と、誘電体ドラム１１を清浄にするクリーニング
手段としての適宜なブレード２０と、誘電ドラム１１の
荷電状態を除去する除電手段としての適宜な除電器２１
とが順に配置されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来のイオン書き込みヘッド１においては、潜像形成
に必要な量だけのイオン８をリアルタイムにて発生させ
ることが不可能なため、常時多量のイオン８を発生さ
せ、その一部をスクリーン電極２あるいは二枚の制御電
極１４，１４等により潜像担持体７上に導いて静電潜像
を形成するようにされている。このため、発生させたイ
オン８の利用効率が低く、イオン８と同時に発生するオ
ゾンの処理や、消費電力の増大、ヘッド１の大型化、高
電圧を制御する制御電極用の駆動回路１５の大型化や高
価格化等という種々の問題点があった。

【００１３】また、従来の印字装置１６においては、従
来からある図示しない電子写真方式の印字装置に比較し
て、優れた性能を有するにも関わらず、大量の印字が必
要な高速の印字装置にのみ用いられ、用途が限定される
という問題点があった。

【００１４】また、従来のイオン書き込みヘッド１にお
いては、イオン８が通過する開口３，１３の大きさの下
限に制約があるという問題点があった。この制約の一つ
は発生したイオン８の利用効率を大きくするためであ
り、もう一つは高電圧を印加するスクリーン電極２また
は制御電極１４の加工精度と絶縁耐圧を保持させなけれ
ばならないということである。

【００１５】つまり、大きな開口３，１３を有するスク
リーン電極２または制御電極１４を用いることの問題点
は、制御電圧の絶対値が大きくなる点と、ヘッド１から
潜像担持体７に向かって流れるイオン８（イオン流）を
絞った場合に形成される静電潜像の１ドットの直径が十
分に小さくならないという点である。イオン流を絞る場
合には、電極２，１４に加わる電圧のためにイオン流の
直径は制御電極２，１４の開口３，１３の直径の数分の
一程度に集束される。このため、形成される静電潜像の
１ドットの直径はイオン流を増やした場合に比べて小さ
くなる。しかし、集束率の限界のためイオン流を絞った
場合の潜像の電位は中間的な値となり、電位により中間
調を再現することになる。

【００１６】また、トナーの付着量により濃度階調を再
現する場合に、面積階調の場合の再現性は良いが、濃度
階調の場合の再現性はトナーの帯電量のばらつき等の要
因により再現性があまりよくない。一般に、従来のヘッ
ド１は、他の書き込み方式に比べて濃度階調の再現性が
優れていると言われている。この再現性について厳密に
みると、イオン８の流量が多く面積階調の領域に入る場
合の階調の再現性や安定性は優れているが、イオン８の
流量を絞った場合の階調再現性は高濃度領域に比べると
劣っている。そして、潜像の面積は変わらず電位の変化
により階調の再現を行なう場合には、潜像の形成が入力
信号に対して正確に行なわれても現像工程でトナーの付
着量のばらつきなどの画像の品位を劣化させる要因が多
く、結果的に面積階調における階調再現性よりも劣った
ものにならざるを得ない。

【００１７】前記開口３，１３の大きさを小さくできな
いことは、解像度を上げられないことと、開口３，１３
を一直線上に並べられないなどの設計上の制約という問
題点を有している。

【００１８】一般に、電子写真方式の印字装置において
も、白と黒の二値画像の再現性に対しては一定レベルの
印字品質を得ることができるが、中間調を含む画像の再
現性は良くない。そこで、現在の電子写真方式において
は、ディザを用いた面積階調によって疑似的に中間調を
再現する方法が主流になっており、ディザを用いた場合
の印字の解像度は、潜像形成手段における解像度に比べ
て大幅に低下する。

【００１９】代表的なディザのマトリクスは４×４画素
や６×６画素程度で形成される。その場合の階調再現性
は１６段階および３６段階になり、形成される画像の解
像度は１／４または１／６となる。階調再現性を重視す
る場合に、実用的な解像度を得るためには非常に解像度
の高い潜像を形成する必要がある。

【００２０】従来のイオン書き込みヘッドを用いた印字
装置１６においては、中間調の再現性が優れているた
め、ディザに頼らないでも濃度階調の再現が可能であ
る。そのため開口３，１３の大きさの制限等のため解像
度を上げられないという問題点を濃度階調の再現性で補
うことができると考えられてきた。つまり、写真のよう
な階調再現性が優先される用途においては、解像度は低
くても階調再現性が優れていれば再現性を補うことがで
きるが、文字の印字等の高い解像度が要求される用途に
おいては、階調再現性を利用して多少の改善は行なえる
としても、高い解像度を持つ電子写真方式に対して大幅
に劣った印字品質しか得られないという問題点があっ
た。

【００２１】また、従来のヘッド１においては、複数の
開口３，１３を印字幅方向に一直線に形成することがで
きず、斜めに複数の開口３，１３を並べ、時分割にて一
つのラインの潜像を形成する方式が用いられており、潜
像担持体７に速度のムラがあったり、書き込みのタイミ
ングがずれたりすると、潜像の位置がずれて印字品質が
大幅に低下するという問題点があった。また、画像の並
べかえやタイミングの発生等で、図示しない制御回路お
よび駆動回路１５などが複雑で高価なものになりやす
く、しかも、ヘッド１自体が大型化し、ヘッド１と潜像
担持体７との間の距離を一定に保つことが難しくなると
いう問題点があった。

【００２２】本発明はこれらの点に鑑みてなされたもの
であり、前述した従来のものにおける問題点を克服し、
小型で、イオンの利用効率の高いイオン書き込みヘッド
および印字装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため請求項１に記載の本発明のイオン書き込みヘッド
は、誘電体により構成される潜像担持体上に荷電粒子を
選択的に付着させて静電潜像を形成するイオン書き込み
ヘッドにおいて、基板上に形成された複数の個別電極
と、前記個別電極上に形成されたフィールドエミッタ
と、前記フィールドエミッタから電子を引き出すための
ゲート電極とを有することを特徴とする。

【００２４】そして、請求項２に記載の本発明のイオン
書き込みヘッドは、請求項１において、前記個別電極上
に複数のフィールドエミッタからなるフィールドエミッ
タグループを形成することを特徴としている。

【００２５】さらに、請求項３に記載の本発明のイオン
書き込みヘッドは、請求項１または請求項２において、
前記基板上に、更にフィールドエミッタ駆動用ＩＣを実
装したことを特徴としている。

【００２６】また、請求項４に記載の本発明の印字装置
は、誘電体により構成される潜像担持体上にイオン書き
込みヘッドをもって荷電粒子を選択的に付着させて静電
潜像を形成し、前記静電潜像をトナーにて現像すること
により顕像化するとともに記録媒体上に転写および定着
することにより印字を行なう印字装置において、請求項
１乃至請求項３のいずれかに記載のイオン書き込みヘッ
ドを駆動することにより選択的に荷電粒子を発生させる
とともに、該荷電粒子を前記潜像担持体上に付着させる
ことにより静電潜像を形成することを特徴としている。

【００２７】また、請求項５に記載の本発明の印字装置
は、請求項４において、前記潜像担持体は、表面に誘電
体層を有する金属基体からなる誘電体ドラムとすること
を特徴としている。

【００２８】また、請求項６に記載の本発明の印字装置
は、請求項４において、前記潜像担持体は、無端ベルト
状の誘電体ベルトとすることを特徴としている。

【００２９】また、請求項７に記載の本発明の印字装置
は、請求項４において、加圧ローラをもって定着させる
ことを特徴としている。

【００３０】また、請求項８に記載の本発明の印字装置
は、請求項４において、定着ローラと加圧ローラとをも
って定着させることを特徴としている。

【００３１】また、請求項９に記載の本発明の印字装置
は、請求項４において、基板上に形成された複数の個別
電極と、前記個別電極上に形成されたフィールドエミッ
タと、前記フィールドエミッタから電子を引き出すため
のゲート電極とを有するイオン発生器により転写させる
ことを特徴としている。

【００３２】

【作用】前述した構成からなるイオン書き込みヘッドを
本発明の印字装置に配設して動作させることにより、イ
オン書き込みヘッドのフィールドエミッタから大気中に
電子を放出させ、大気中の気体分子を電離して荷電粒子
としてのイオンをリアルタイムに発生させ、そのイオン
を静電担持体上に直接衝突させて所望の静電潜像を形成
することができる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１から図２１につ
いて説明する。

【００３４】まず、本発明に係るイオン書き込みヘッド
について説明する。

【００３５】図１および図２は本発明に係るイオン書き
込みヘッドの第１実施例を示すものであり、図１は要部
の構成を示す縦断面図であり、図２は駆動回路を示す回
路図である。

【００３６】図１に示すように、本実施例のイオン書き
込みヘッド２２ａ（以下、ヘッドという）は、基板２３
上に複数の個別電極２４が図において左右方向（印字幅
方向）に一列状に整列配置されている。そして、各個別
電極２４上にフィールドエミッタ２５が配設されてい
る。さらに、基板２３上には、前記各フィールドエミッ
タ２５を中心とした、例えば、直径１００〜２００ｎｍ
程度の円形の開口２６を有するゲート電極２７が適宜な
絶縁層２８を介して配設され、全体として略平板状に形
成されている。

【００３７】前記基板２３の素材は、ガラス等の絶縁物
や表面をＳｉＯ₂等の絶縁物で被履したシリコン基板等
で有ればよく、種々のものを選択することができる。

【００３８】前記個別電極２４およびゲート電極２７の
素材は、導電性と加工性を考慮し、金属素材を用いるこ
とが望ましい。

【００３９】前記フィールドエミッタ２５は、直径、高
さとも０．５〜１μｍ程度の略円錐形状とし、その頂部
の曲率が５〜１０ｎｍ程度に形成されている。そして、
フィールドエミッタ２５の素材としては、導電性と熱伝
導率が良く融点が高い必要性があり、例えば、タングス
テン、タンタル、モリブデン等の高融点金属を用いるこ
とが望ましい。さらに、フィールドエミッタ２５と前記
ゲート電極２７の開口２６との間の距離は、５０〜１０
０ｎｍ程度とすることが望ましい。

【００４０】前記絶縁層２８の素材は、大きな電界が加
わり発生したイオンに曝されるため、絶縁性能および安
定性が高い、ＳｉＯ₂、Ａ１₂Ｏ₃等の無機物の絶縁物
を用いることが望ましい。

【００４１】また、図１に示すように、前記ヘッド２２
ａのゲート電極２７に対向するようにして静電潜像が形
成される潜像担持体２９が配設されるようになってお
り、この潜像担持体２９は、所望の金属基体３０の表面
に適宜な誘電体層３１が形成されるとともに、前記ゲー
ト電極から１００μｍ程度の一定の拒離を隔てて配設さ
れ、前記各フィールドエミッタ２５が配置されている主
走査方向に対して直交する副走査方向に一定速度をもっ
て移動自在にされている。

【００４２】図２に示すように、本実施例のヘッド２２
ａの駆動回路３２には、潜像担持体２９のヘッド２２ａ
に対して反対側に設けられた金属基体３０を背面電極３
３として接地することにより基準電位が形成されてい
る。そして、駆動回路３２は、ゲート電極２７に対して
マイナスの極性の電圧を供給する潜像書き込み用電源Ｖ
Ｌが電気的に接続されるとともに、ゲート電極２７は、
各フィールドエミッタ２５に対する共通電極とされてい
る。また、各フィールドエミッタ２５と電気的に接続さ
れた各個別電極２４は、それぞれ適宜な駆動トランジス
タ３４に接続されるとともに、各駆動トランジスタ３４
はゲート電極２７を基準電位とし、ゲート電極２７に対
してマイナスの極性の電圧を印加する電子放出用電源Ｖ
Ｅに接続されており、各フィールドエミッタ２５に、ゲ
ート電極２７に対してマイナスの極性の電圧を印加する
ようになっている。そして、各個別電極２４と各駆動ト
ランジスタ３４との間には、各フィールドエミッタ２５
に流れる電流を制限するための適宜な抵抗３５が直列に
接続されている。

【００４３】つぎに、本実施例のヘッドの製造工程につ
いて、図３の（ａ）から（ｇ）により説明する。

【００４４】まず、図３の（ａ）に示すように、ガラス
等の絶縁物からなる略平板状の適宜な基板２３の上の所
定位置に、タンタル等の金属からなる個別電極２４を公
知の薄膜形成方法を用いて所定の数だけ形成する。つい
で、図３の（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂からなる絶縁
層２８と、タンタル等からなるゲート電極２７とを順次
同様にして成膜する。そして、図３の（ｃ）に示すよう
に、ゲート電極２７の所定の位置をエッチング等により
除去して、所望の大きさの開口２６を形成する。つぎ
に、図３の（ｄ）に示すように、前記ゲート電極２７の
開口２６の下部の絶縁層２８をエッチング等により除去
して個別電極２４を露出させる。そして、図３の（ｅ）
に示すように、ゲート電極２７上にフォトレジスト等に
より適宜な離形層３６を形成する。つぎに、図３の
（ｆ）に示すように、基板２３を水平面内で回転させな
がらタングステン等の金属３７を斜め蒸着して個別電極
２４上にフィールドエミッタ２５を形成する。そして、
図３の（ｇ）に示すように、離形層３６を除去しヘッド
２２ａの構造が完成する。

【００４５】つぎに、本実施例のヘッドの製造工程の他
の例について、図４の（ａ）から（ｉ）により説明す
る。

【００４６】まず、図４の（ａ）に示すように、表面に
薄く高濃度にボロンドープされた高濃度ボロンドープ領
域３８を有するシリコンウェハ３９の高濃度ボロンドー
プ領域上に適宜な酸化膜４０を成膜する。そして、図４
の（ｂ）に示すように、酸化膜４０の所定位置に複数の
所望の開口４１を設ける。つぎに、図４の（ｃ）に示す
ように、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いて異方性エッ
チングし、四角錐を逆さにした形の有底孔４２を開口４
１の下部に形成する。そして、図４の（ｄ）に示すよう
に、有底孔４２を覆うように前記酸化膜４０と同一の酸
化膜４０を成膜して一体化された絶縁層２８を形成す
る。つぎに、図４の（ｅ）に示すように、絶縁層２８の
表面の全面にタングステン等の金属膜４３を成膜して有
底孔４２を埋めて平滑にする。そして、図４の（ｆ）に
示すように金属膜４３をエッチングすることにより個別
電極３と一体となったフィールドエミッタ２５を形成す
る。つぎに、図４の（ｇ）に示すように、基板２３を適
宜な接合部材４４により接合する。そして、図４の
（ｈ）に示すように、シリコンウェハ３９をエッチング
により薄くし、シリコンウェハ３９中の高濃度ボロンド
ープ領域３８のみを残すことにより絶縁層２８の所望部
分を露出させる。つぎに、図４の（ｉ）に示すように、
露出させた絶縁層２８（酸化膜４０）の所望部分を希釈
したフッ酸により除去することによりヘッド２２ａの構
造が完成する。

【００４７】すなわち、本実施例の製造方法において
は、個別電極２４とフィールドエミッタ２５とは一体に
形成され、ゲート電極２７はシリコンウェハ３９の高濃
度ボロンドープ領域３８により形成される。

【００４８】つぎに、前述したイオン書き込みヘッドの
作用について図２および図５を参照して説明する。

【００４９】図５は本実施例のイオン書き込みヘッドの
フィールドエミッタの頂部の表面の外側に働く電界をフ
ィールドエミッタの表面に沿う形の等電位面と、それに
直交する電気力線とにより示す模式図である。

【００５０】本実施例のヘッド２２ａを駆動させ、ゲー
ト電極２７に対してフィールドエミッタ２５にマイナス
の極性の電圧を印加すると、フィールドエミッタ２５の
頂部の表面の外側に非常に大きな電界が集中する。この
電界をフィールドエミッタ２５の外側でフィールドエミ
ッタ２５の表面に沿う形の等電位面４５と、それに直交
する電気力線４６とにより表すと、図５に示すように、
電気力線４６がフィールドエミッタ２５の頂部へ集中
し、フィールドエミッタ２５の頂部に非常に大きな電界
が作用していることがわかる。

【００５１】そして、フィールドエミッタ２５からの電
子の放出は、電子放出用電源ＶＥの電圧の一部がフィー
ルドエミッタ２５とゲート電極２７との間に加わり、そ
の電圧によりフィールドエミッタ２５の頂部付近に発生
する電界により行なわれる。このフィールドエミッタ２
５の頂部の表面に作用する電界が、４〜５×１０⁹Ｖ／
ｍになると、ポテンシャルの障壁が１０オングストロー
ム程度になり、量子力学的トンネル効果により電子が空
間中に放出される。このフィールドエミッタ２５の外側
の空間に放出された電子は、フィールドエミッタ２５の
表面と直交する電気力線４６に沿ってフィールドエミッ
タ２５から遠ざかる。

【００５２】前記ゲート電極２７とフィールドエミッタ
２５との間に印加し、電子を電界電子放出により取り出
すための電子放出用電源ＶＥの電圧は、略フィールドエ
ミッタ２５の頂部の曲率に反比例する。つまり、フィー
ルドエミッタ２５の頂部の曲率（先端の半径の逆数）を
非常に大きくすることにより、低い電圧での電子放出が
可能になる。なお、フィールドエミッタ２５の頂部の曲
率半径は１００ｎｍ以下で、動作電圧は百Ｖ以下とする
ことが望ましい。また、非常に小さい面積のフィールド
エミッタ２５の頂部から電子を取り出すため、フィール
ドエミッタ２５の頂部の付近の電流密度は非常に高くな
り、ジュール熱によりフィールドエミッタ２５が加熱さ
れることとなる。すなわち、フィールドエミッタ２５か
ら数十μＡ程度の電流を取り出すためのフィールドエミ
ッタ２５の素材としては、前述したように、抵抗率が低
くて高融点の素材であるタンタル、タングステン、モリ
ブデン等の金属素材を用いことが望ましい。また、金の
ような原子の移動が容易な金属をフィールドエミッタ２
５に用いて、ジュール熱により蒸発するフィールドエミ
ッタ２５の頂部の消耗を補うようにしてもよい。

【００５３】このように、フィールドエミッタ２５にマ
イナスの極性の電圧を加えて電子を大気中に放出させた
場合に、大気圧の空気中での電子の平均自由行程は約４
００ｎｍ、平均速度は１〜２×１０⁶ｍ／Ｓ、平均衝突
回数は２．５〜５×１０¹³回／Ｓとなり、放出された電
子は非常に頻繁に大気中の気体分子と衝突することとな
る。そして、電子が平均自由行程を移動中に電界から受
ける運動エネルギーを小さくすると、大部分の電子は空
気中の電子親和力が正で大きな値を持つ酸素分子に捕捉
されてＯ₂ ^-イオンとなり荷電粒子としてのマイナスの
極性のイオン（図示せず）が生成される。なお、イオン
の質量は電子よりも非常に大きく、電界による運動エネ
ルギーが小さいため、他の気体と衝突してさらにイオン
化するという可能性は非常に小さい。

【００５４】したがって、高電圧を用いたコロナ放電や
高周波放電による従来のヘッド１と異なり、本実施例の
ヘッド２２ａは、潜像形成に必要な量だけのイオンをリ
アルタイムに発生させることができるとともに、フィー
ルドエミッタ２５の動作電圧を低くすることができるの
で、駆動回路３２の集積化が容易になり、確実に小型
化、低価格化することができる。

【００５５】前記フィールドエミッタ２５の表面の近傍
で生成されたマイナスの極性のイオンは、ゲート電極２
７と潜像担持体２９の背面電極３３との間に印加された
潜像書き込み電源ＶＬの電圧により形成される電界によ
って潜像担持体２９の表面に向かって移動し、潜像担持
体２８の表面に到達して潜像担持体２９の表面にマイナ
スの極性の電荷を与える。そして、初期状態（潜像が書
き込まれる前）の潜像担持体２９の表面電位は除電によ
って０Ｖとされており、潜像担持体２９の表面に到達し
たマイナスの極性のイオンから電子を受け取り、その表
面にマイナスの極性のイオンの到達量に比例した電位の
静電潜像が形成される。この静電潜像の電位の最大値
は、潜像書き込み用電源ＶＬの電圧に近い値で飽和す
る。したがって、静電潜像の電位が飽和した後に潜像担
持体２９の表面に到達したマイナスの極性のイオンは、
潜像担持体２９の表面に沿って潜像電位の小さい方に移
動し、その部分の表面に電荷を与える。すなわち、潜像
担持体２９上の静電潜像は同心円状に広がることとな
る。

【００５６】前述したように、ゲート電極２７と潜像担
持体２９の表面との間の拒離を１００μｍとし、潜像書
き込み用電源ＶＬの電圧を５００Ｖとすると、発生する
電界は５×１０⁶Ｖ／ｍとなる。この電界の値は大気中
の放電開始電圧の半分強の値である。

【００５７】ここで、画像形成の解像度を３００ＤＰ
Ｉ、潜像担持体２８の移動速度を１００ｍｍ／Ｓとする
と、一つの画素（ドット）の大きさは約８４．６７μｍ
角で、その書き込みの時間間隔は８４７μＳとなり、書
き込むラインの数は１１８１ライン／Ｓとなる。そし
て、発生させたイオンの平均の移動速度を１００ｍ／Ｓ
とすると、ゲート電極２７の表面から潜像担持体２９の
表面との間のイオンの移動時間は１μＳとなる。また、
潜像電位が高くなり潜像担持体２９の表面の電位がゲー
ト電極２７の電位に近づくと、電位差の減少に比例して
イオンの移動速度は低下するが、この場合においても、
潜像担持体２９の移動速度に対して十分に対応させるこ
とができる。

【００５８】前記フィールドエミッタ２５の動作時間
は、フィールドエミッタ２５の動作電流の設定により異
なるが、前述した条件においては８〜８０μＳ程度であ
る。この場合に、イオンの移動速度が速いため、イオン
は柱状に連なったイオン流になる。また、イオンの移動
速度よりも、フィールドエミッタ２５が動作している時
間中の潜像担持体２９の移動距離が、形成される潜像の
形状に影響を与えることとなる。

【００５９】前記フィールドエミッタ２５の頂部の表面
の電界を５×１０⁹Ｖ／ｍとし、その電子放出に寄与す
る部分の面積を１００ｎｍ²とし、ゲート電極２７と潜
像担持体２９との間の電界を５×１０⁶Ｖ／ｍとする
と、電気力線４６の密度は電界に比例するので、フィー
ルドエミッタ２５の頂部は、潜像形成前の潜像担持体２
９の表面の約千倍の電界強度とされる。そして、フィー
ルドエミッタ２５から出て潜像担持体２９の表面に到達
する電気力線４６の密度は、フィールドエミッタ２５の
表面の千分の一となり、潜像担持体２９の表面に占める
面積は、フィールドエミッタ２５の頂部の面積の千倍の
０．１μｍ²になる。さらに、フィールドエミッタ２５
の周辺で発生したイオンは、電界により電気力線と平行
に移動する。この場合にイオンは、潜像担持体２９の表
面の非常に狭い領域に集中して到達して潜像担持体２９
の表面に電子を与え、潜像担持体２９の表面にマイナス
の極性の微細な静電潜像が形成される。

【００６０】前記潜像担持体２９上に形成される静電潜
像の大きさは、潜像担持体２９の表面に到達するマイナ
スの極性のイオンの量が少ない場合には、電気力線４６
が到達する小さい直径に集中し、到達するイオンの量が
増えるにともない潜像のマイナスの極性の電位が上昇
し、潜像担持体２９の表面に到達する電気力線４６が広
がる。それに連れて到達するマイナスの極性のイオンが
潜像担持体２９の表面上に同心円状に広がり潜像の面積
が拡大する。

【００６１】したがって、発生するイオンの量に対する
潜像の面積の直線性を極めて高くすることができる。

【００６２】すなわち、静電潜像をトナーにより現像し
てトナー像とする場合において、トナーの付着量の直線
性は、静電潜像の電位が中間調を持つ場合と一定電位の
静電潜像の面積が変化する場合とでは、面積階調の方が
低い印字濃度領域においても微細な面積の静電潜像を形
成することができ、広範囲の面積階調による印字が可能
になるので、本実施例のヘッド２２ａは、従来のヘッド
１に比べて階調の再現性が極めて優れた高品位の印字品
質を得ることができる。この印字品質は、文字の印字等
の高い解像度が要求される用途に用いられている高い解
像度を有する電子写真方式の印字品質に対しても優れて
いる。

【００６３】前記潜像の面積の拡大は無制限に起きるわ
けでなく、ゲート電極２７と潜像担持体２９の背面電極
３３との間に印加された電界によって到達するイオンの
量に応じた一定の範囲に制限される。また、形成される
潜像の電位も、潜像担持体２９の背面電極３３とゲート
電極２７との間に印加される電圧に近いほぼ一定の値に
制限される。

【００６４】前記フィールドエミッタ２５の頂部の近傍
に加わる電圧が、百Ｖ以上と高い電圧を用いた場合に
は、放出された電子が気体分子に衝突するまでに大きな
運動エネルギーを得るため、気体分子と衝突するときに
気体分子から余分の電子を剥ぎ取り気体分子をプラスの
極性にイオン化する。

【００６５】前記フィールドエミッタ２５の近傍にプラ
スの極性のイオンが発生すると、フィールドエミッタ２
５の表面の大きな電界に加速されて大きな運動エネルギ
ーを持ってフィールドエミッタ２５に衝突し、フィール
ドエミッタ２５の表面の原子がスパッタされて削られる
現象が生じる。また、フィールドエミッタ２５を高い電
圧で動作させた場合には、放出された電子が周囲の気体
分子と衝突するまでに電界により加速されることにより
得る運動エネルギーが大きくなる。

【００６６】ここで、大気中の電子の平均自由行程は４
００ｎｍ、イオンおよび気体分子の平均自由行程は７０
ｎｍであり、フィールドエミッタ２５とゲート電極２７
に加えられる電圧の大部分は、フィールドエミッタ２５
の表面近傍に集中し、フィールドエミッタ２５の表面か
ら数十ｎｍの距離の間に加わることとなる。

【００６７】前述したように、気体分子と衝突するとき
の電子の運動エネルギーが大きい場合には、電子は気体
分子の電子をはじき飛ばしてプラスの極性のイオンを発
生させる。この時の電子の運動エネルギーを気体の電離
電圧という。この気体の電離に必要な最低の電子の運動
エネルギーは、酸素分子で１２．０７Ｖ、窒素分子で１
５．５８Ｖである。また、電離の確率は電子の運動エネ
ルギーが１００〜２００Ｖで最大になる。そして、平均
自由行程内で電子が受ける運動エネルギーが１２Ｖ以下
ではプラスの極性のイオンは発生しないが、その値を少
し越えた段階でプラスの極性のイオンの発生が始まる。

【００６８】前記プラスの極性のイオンが発生すると、
プラスの極性のイオンは、フィールドエミッタ２５の表
面のマイナスの極性の電界に引かれてフィールドエミッ
タ２５に衝突する。そして、フィールドエミッタ２５の
表面の原子は、プラスの極性のイオンの衝撃によりスパ
ッタされて削られる。このスパッタに必要な最低のイオ
ンの運動エネルギーは、フィールドエミッタ２５の材質
と衝突するイオンの種類により決定され、それをしきい
エネルギーという。このしきいエネルギーは、金属にお
いて１０〜３０Ｖの範囲である。そして、スパッタ率は
一般的にしきいエネルギー以上で急激に増大し、１５０
Ｖ程度まではその自乗に比例し、１５０〜４００Ｖの範
囲ではしきいエネルギーに比例し、それ以上ではしきい
エネルギーの平方根に比例する傾向がある。

【００６９】つぎに、大気中におけるフィールドエミッ
タの動作電圧を１００Ｖ程度とした場合のフィールドエ
ミッタの消耗について説明する。

【００７０】本実施例のヘッド２２ａのフィールドエミ
ッタ２５の素材として、例えば、タングクテンを用いた
場合には、フィールドエミッタ２５の電流は７ｎＡ、フ
ィールドエミッタ２５の有効な部分の面積は１０ｎｍ角
程度、フィールドエミッタ２５を構成する原子の格子常
数は０．２７ｎｍであり、１秒間に発生する電子数は
４．４×１０¹⁰個で、発生した電子の電離確率は０．
１、発生したイオンによるスパッタ率は０．１程度にな
る。そして、一秒間にスパッタされる原子数は４．４×
１０⁸個程度とされる。前記フィールドエミッタ２５の
有効面積中の最表面の原子数は１．３３×１０³個であ
り、一秒間に削られる原子の総数は３．３×１０⁵個と
なり、その厚さは９１μｍに達する。実際には、極く短
時間でフィールドエミッタ２５がスパッタにより平坦化
し、電界電子放出が不可能になり、非常に短い時間で動
作を停止することとなる。なお、フィールドエミッタ２
５の頂部の曲率が小さく動作電圧の高いフィールドエミ
ッタ２５を、真空度の低い条件で使用した場合にも短時
間で電子の放出が大幅に低下し実用にならないことも、
この現象のためである。このような現象を防ぐために
は、フィールドエミッタ２５の動作電圧を少なくとも３
０Ｖ以下にすることが肝要である。

【００７１】つぎに、前記潜像担持体上に静電潜像を形
成するために必要な電荷の量について説明する。

【００７２】前記潜像担持体２９の誘電体層３１の膜厚
を２０μｍ、比誘電率を２．５とすると１ｃｍ²当たり
の静電容量は１１０．７ｐＦとなり、この潜像担持体２
９を−５００Ｖに帯電させるのに必要な電荷は５５．３
５ｎＣとなる。そして、潜像担持体２９の有効印字幅を
２１０ｍｍ、プロセス速度を１５０ｍｍ／Ｓとすると、
一様に帯電させるために必要な電流は１７．４４μＡと
なる。また、２１０ｍｍの印字幅には３００ＤＰＩの解
像度で２４８０個、４００ＤＰＩの解像度で３３０７個
のフィールドエミッタ２５が必要になる。そして、フィ
ールドエミッタ２５一個当たりの平均電流は、３００Ｄ
ＰＩの解像度において７．０３ｎＡ、４００ＤＰＩの解
像度において５．２７ｎＡとなる。ここで、フィールド
エミッタ２５の動作時間の比率を１〜１０％とすると、
動作中のフィールドエミッタ２５の電流は、前記値の十
倍から百倍になる。この場合の電流は５０ｎＡ〜７００
ｎＡ程度となり、各フィールドエミッタ２５から取り出
せる直流電流の最大値の数十μＡ程度と比較すると十分
な余裕がある。

【００７３】つぎに、フィールドエミッタの表面の電流
密度について説明する。

【００７４】前記フィールドエミッタ２５の放出する電
流を前述した最大値の７００ｎＡとし、フィールドエミ
ッタ２５の頂部の曲率を１０ｎｍ、有効面積を１００ｎ
ｍ²とすると、電流密度は７０００Ａ／ｍｍ²となる。
前記フィールドエミッタ２５は略円錐形状とされてお
り、頂部以外の電流密度は小さくなり発熱量も小さい。
また、動作時間の比率が小さいため、熱伝導による頂部
の冷却が十分に施される。

【００７５】前記フィールドエミッタ２５を、タングス
テンまたはモリブデン等の金属素材により形成すると、
フィールドエミッタ２５の体積抵抗率は、銅を素材とし
た場合に比べて３〜４倍となり、その分発熱量は増える
が、融点が高いためフィールドエミッタ２５自身の溶融
や蒸発等への熱的な余裕度は大きくなり、耐久性を向上
させることができる。また、フィールドエミッタ２５の
少なくとも頂部は、大気に直接接しているため、対流に
よる冷却作用を有するとともに、前記個別電極２４を通
して基板２３へ放熱する冷却作用と相まってフィールド
エミッタ２５の温度上昇を確実に防止することができ
る。

【００７６】このように本実施例のイオン書き込みヘッ
ド２２ａによれば、フィールドエミッタ２５から大気中
に電子を放出させ、大気中の気体分子を電離して荷電粒
子としてのイオンをリアルタイムに発生させ、そのイオ
ンを静電担持体２９上に直接衝突させて所望の静電潜像
を形成することができるので、イオンの利用効率を格段
に向上させることができる。

【００７７】つぎに、本実施例のヘッドのゲート電極と
潜像担持体の距離を一定に保持する構造について図６か
ら図１０により説明する。

【００７８】図６はイオン書き込みヘッドのゲート電極
と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第１実施例
を示すものである。

【００７９】本実施例は潜像担持体２９として表面に誘
電体層３１を有する誘電体ドラム４７を用いたものであ
る。

【００８０】本実施例においては、ヘッド２２ａの印字
幅方向である長手方向の両端部に適宜な接触ローラ４
８，４８が配設されており、この接触ローラ４８，４８
を介して誘電体ドラム４７が配置されている。そして、
各接触ローラ４８，４８は、誘電体ドラム４７の表面の
印字領域を避けるようにして回転自在に配設されるとと
もに、誘電体ドラム４７の表面と当接されている。さら
に、ヘッド２２ａは、誘電体ドラム４７表面の法線の方
向に移動自在に支持されており、ヘッド２２ａの背面に
配設された図示しない支持フレームと当接されている適
宜な与圧スプリング４９の押圧力をもって誘電体ドラム
４７の表面に対して所定の距離（間隔）を保持できるよ
うにされている。なお、各接触ローラ４８の接触圧を小
さくして、誘電体ドラム４７の印字領域に接触させても
よい。

【００８１】図７はイオン書き込みヘッドのゲート電極
と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第２実施例
を示すものである。

【００８２】本実施例においては、図６に示す第１実施
例のようにヘッド２２ａに接触ローラ４８は配設されて
おらず、代わりに、ヘッド２２ａの下部に誘電体ドラム
４７を清浄にするクリーニング手段としての所望のブレ
ード５０を配設したものである。そして、ブレード５０
の下方には、適宜な廃トナー受け５１が配置されてい
る。また、誘電体ドラム４７は図において下方に示す転
写・定着部５２にて用紙などの記録媒体５３と接するよ
うにされている。

【００８３】このような構成によっても、図６に示す前
述した第１実施例と同様に、ヘッド２２ａのゲート電極
２７と潜像担持体２９との距離を一定に保持することが
できる。

【００８４】図８はイオン書き込みヘッドのゲート電極
と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第３実施例
を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図
である。

【００８５】本実施例は、潜像担持体２９として可撓性
を有する無端ベルト状の誘電体ベルト５４を用いたもの
である。

【００８６】本実施例においては、ヘッド２２ａに適宜
なベルト保持部材５５が配設されており、誘電体ベルト
５４をヘッド２２ａに対して位置決めし、ヘッド２２ａ
の図示しないゲート電極２７と誘電体ベルト５４の表面
との距離を一定に保させるようになっている。この場合
には、誘電体ベルト５４の厚さを一定とすることが肝要
である。

【００８７】このような構成によれば、図６および図７
に示す誘電体ドラム４７を用いる構成と比較して、ヘッ
ド２２ａの位置を簡単に固定できるので、ヘッド２２ａ
のゲート電極２７と潜像担持体２９との距離を一定に保
持するうえで有利である。

【００８８】図９はイオン書き込みヘッドのゲート電極
と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第４実施例
を示すものである。

【００８９】本実施例は図８に示す第３実施例と同様
に、潜像担持体２９として誘電体ベルト５４を用いたも
のである。

【００９０】本実施例においては、誘電体ベルト５４の
表面をヘッド２２ａの表面を覆うように配設したベルト
保持部材５５ａ側に押しつけて距離を一定に保持させた
ものである。そして、本実施例のベルト保持部材５５ａ
には、ヘッド２２ａの下流側表面５６を誘電体ベルト５
４の表面に形成された潜像を乱さないように適宜な絶縁
体からなる絶縁層５７で形成するとともに、イオンを発
生させるフィールドエミッタ２５をヘッド２２ａの表面
から少し奥まった位置に配設して形成されている。な
お、ヘッド２２ａの下流側表面５６を誘電体ベルト５４
の表面と接触しないようにするとともに、ヘッド２２ａ
の上流側表面５８に導電性の材料からなる導電層５９を
形成し、誘電体ベルト５４の除電を行なうようにしても
よい。

【００９１】図１０はイオン書き込みヘッドのゲート電
極と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第５実施
例を示すものである。

【００９２】本実施例は図９に示す第４実施例の構造
に、ヘッド２２ａの表面から流体（空気）を誘電体ベル
ト５４に向かって噴射させ、誘電体ベルト５４をヘッド
２２ａの表面から一定の高さに浮上させるようにしたも
のである。

【００９３】本実施例においては、ヘッド保持部材５５
ａの表面に複数の噴射孔６０を設けるとともに、各噴射
孔６０を流れる空気の流量のバランスを保つための適宜
なオリフェス６１を各噴射孔６０に連接する各流路６２
に設け、加圧空気を各流路６２に対して供給自在とした
ものである。なお、誘電体ベルト５４のヘッド２２ａに
対する浮上量は５０μｍ程度とするとよい。

【００９４】このような構成によれば、誘電体ベルト５
４はヘッド２２ａと接触しないため、ヘッド２２ａの表
面の導電性の有無の影響を受けることがない。また、空
気の圧力により誘電体ベルト５４の表面に付着する図示
しないトナーを外部に排除することができるので、フィ
ールドエミッタ２５にトナーが付着されるという不都合
を確実に防止することもできる。

【００９５】つぎに、前述したイオン書き込みヘッドの
駆動回路の第２実施例について説明する。

【００９６】図１１はイオン書き込みヘッドの駆動回路
の他の例を示す回路図であり、図１２はフィールドエミ
ッタの電圧−電流特性および定電流電源による負荷特性
ならびに直列抵抗による負荷特性を示す線図である。

【００９７】本実施例においては、図２に示す駆動回路
３２を定電流回路により構成したものである。

【００９８】本実施例の駆動回路３２ａにおける定電流
回路の電流は、各駆動トランジスタ３４のエミッタに接
続された電流設定抵抗６３と、各駆動トランジスタ３４
のベースに加えられる電圧によって決定される。そし
て、各駆動トランジスタ３４のベース電圧は、抵抗を梯
子型に組み合わせたＤ／Ａ変換回路６４を介して重み付
けされたディジタル信号を入力することにより印加され
る。さらに、ヘッド２２ａに対する入力信号は、各々が
別の重みを持つシリアル信号６５とされ、各々の信号６
５に対応するシフトレジスタ６６によりパラレル信号に
変換される。また、このパラレル信号は、一旦ラッチ６
７に保持された後、ラッチ信号６８により、ゲート回路
６９に出力され、ゲート回路６９によりストローブ信号
７０とのアンドを取りＤ／Ａ変換回路６４に入力され
る。このストローブ信号７０はフィールドエミッタ２５
の動作時間を決定する信号である。

【００９９】図１２に示すように、フィールドエミッタ
２５の電圧−電流特性７１は、図において両矢印にて示
すようなばらつき７２を有している。このばらつき７２
は、フィールドエミッタ２５の頂部の曲率や仕事関数の
違い等が原因となって発生する。そして、本実施例の駆
動回路３２ａのように定電流電源による負荷特性７３を
有する出力回路を用ることや、図２に示す駆動回路３２
のように、フィールドエミッタ２５と駆動トランジスタ
３４との間に抵抗３５を挿入することにより電流の変化
を小さくすることができる。

【０１００】なお、図２に示すように、フィールドエミ
ッタ２５と駆動トランジスタ３４との間に抵抗３５を挿
入することで電流の変化を小さくする場合には、直列抵
抗による負荷特性７４において、フィールドエミッタ２
５の動作電圧のばらつきにより実際に流れる電流が図に
おいて破線両矢印にて示すように電流の変動７５が生じ
るので、フィールドエミッタ２５の動作電圧のばらつき
を小さくするために、フィールドエミッタ２５の駆動電
圧を高くして抵抗３５による電圧降下を大きくすること
がよいが、電圧をあまり高くすると、回路の小形化、低
価格化を難しくすることになる。

【０１０１】また、本実施例のように、フィールドエミ
ッタ２５の駆動回路３２ａとして定電流回路を用た場合
には、駆動回路３２ａの電圧を高くしなくても良好な定
電−流特性、負荷特性７４を得ることができる。

【０１０２】また、図２に示す駆動回路３２のように、
抵抗３５により電流を制御する場合には、フィールドエ
ミッタ２５に流れる電流を変化させることは難しいが、
本実施例に示す駆動回路３２ａのように、可変可能な定
電流回路を用いることにより、広い制御範囲と良好な直
線性を得ることができる。この場合には、フィールドエ
ミッタ２５が発生する電子およびイオンの発生量と駆動
電流の直線性が優れているため、定電流回路により電流
を制御ことが望ましい。

【０１０３】つぎに、イオン書き込みヘッドの第２実施
例について説明する。

【０１０４】図１３はイオン書き込みヘッドの第２実施
例の要部の構成を示す分解斜視図である。

【０１０５】図１３に示すように、本実施例のヘッド２
２ｂにおいては、各個別電極２４ａ上に適宜な抵抗層７
６を介して複数のフィールドエミッタ２５ａが配置され
ており、フィールドエミッタグループ７７が形成されて
いる。そして、各個別電極２４ａ上に配設した複数のフ
ィールドエミッタ２５ａに対応させて、絶縁層２８ａお
よびゲート電極２７ａが形成されている。

【０１０６】すなわち、図１に示すヘッド２２ａが一つ
の画素に対して一つのフィールドエミッタ２５を対応さ
せているのに対して、本実施例のヘッド２２ｂは、一つ
の画素に対して複数のフィールドエミッタ２５ａを有す
るフィールドエミッタグループ７７を対応させている。

【０１０７】なお、本実施例のヘッド２２ｂにおいて
は、フィールドエミッタグループ７７の各フィールドエ
ミッタ２５ａを二次元に整列配置させたが、各フィール
ドエミッタ２５ａを千鳥配置させてもよく、特に、本実
施例の配置形状に限定されるものではない。

【０１０８】このように、各個別電極２４ａ上に複数の
フィールドエミッタ２５ａからなるフィールドエミッタ
グループ７７を設けることにより、前述した第１実施例
のヘッド２２ａと同様の効果を奏するとともに、フィー
ルドエミッタグループ７７とすることで冗長性が得ら
れ、フィールドエミッタグループ７７の一部のフィール
ドエミッタ２５ａに障害が発生した場合に、同一フィー
ルドエミッタグループ７７の他のフィールドエミッタ２
５ａによってその傷害を補い、全体としての機能を確実
に維持することができる。また、一つの画素に対応させ
たフィールドエミッタグループ７７の各フィールドエミ
ッタ２５ａ同士を密集配置することにより、動作するフ
ィールドエミッタ２５ａの位置の違いよる潜像形成の位
置のずれを確実に防止することができる。なお、近年の
加工技術、例えばフォトリソグラフ等の進歩に伴い、前
記フィールドエミッタグループ７７のように、非常に小
さい多数のフィールドエミッタ２５ａを容易に密集させ
て形成することができる。

【０１０９】図１４は、図１３に示す本実施例のヘッド
の等価的な回路および駆動回路の一部を示すものであ
る。

【０１１０】図１４に示すように、本実施例のヘッド２
２ｂの等価的な回路は、前述したように、各フィールド
エミッタ２５ａと個別電極２４ａとの間に抵抗層７６が
設けられており、等価的には各フィールドエミッタ２５
ａと個別電極２４ａとの間に直列に抵抗７６ａが接続さ
れた状態とされている。なお、抵抗層７６は、各フィー
ルドエミッタ２５ａ毎に分割されていてもよい。また、
本実施例のヘッド２２ｂの駆動回路（一部のみ図示）
は、図１１に示す駆動回路３２ａと同様とされている。

【０１１１】このように、個別電極２４ａ上に抵抗層７
６を設けることにより、各フィールドエミッタ２５ａの
電流をほぼ均一化することができる。そして、各画素に
対応するフィールドエミッタグループ７７の電流は、定
電流回路３２ａにより制御されているため、全体として
みた場合の電流の変動を確実に防止することができる。

【０１１２】図１５はイオン書き込みヘッドの第３実施
例を示すものであり、（ａ）は要部の構成を示す縦断面
図であり、（ｂ）は（ａ）の要部の下面図である。

【０１１３】図１５に示すように、本実施例のヘッド２
２ｃは、シリコン基板７８上に、第１絶縁層７９、電界
放出層８０、第２絶縁層８１、ゲート電極８２が順に積
層されて形成されている。そして、シリコン基板７８の
フィールドエミッタ２５ｂに対応する部位８３には、異
方性エッチングにより四角錐形状の開口８３ａが形成さ
れている。さらに、シリコン基板７８の開口８３ａの上
方の第１絶縁層７９、電界放出層８０、第２絶縁層８
１、ゲート電極８２にも適宜な開口８３ｂがそれぞれに
形成されている。また、電界放出層８０は、開口８３ｂ
の中心方向に突出した突出部８４を有しており、この突
出部８４がフィールドエミッタ２５ｂとされている。こ
のフィールドエミッタ２５ｂの厚さは数十ｎｍ程度とさ
れている。なお、フィールドエミッタ２５ｂは、フォト
プロセスなどを用いて数十ｎｍの精度の所望のパターン
８５を容易に形成することができる。

【０１１４】このような構成によっても、前述した第１
実施例のヘッド２２ａと同様な効果を奏することができ
る。そして、シリコン基板７８の開口８３ａから空気
を、図１５の（ａ）において矢印にて示すように、潜像
担持体２９に向けて噴射させることができ、これによ
り、図示しないトナーなどの粒子がフィールドエミッタ
２５ｂに付着することを確実に防止することができると
ともに、イオンが潜像担持体２９の方向に移動すること
を助けることができる。

【０１１５】図１６から図１８は本発明に係るイオン書
き込みヘッドの第４実施例を示すものであり、図１６は
イオン書き込みヘッドの第４実施例を示す側断面図であ
り、図１７はイオン書き込みヘッドの回路図であり、図
１８はイオン書き込みヘッドの駆動回路の全体を示す回
路図である。

【０１１６】本実施例のイオン書き込みヘッド２２ｄ
は、前述した第１実施例のヘッド２２ａ（図１）に、駆
動回路３２ａ（図１１）の一部を形成したものである。

【０１１７】図１６に示すように、本実施例のヘッド２
２ｄは、基板２３上に複数の個別電極２４と、各々の入
力信号と電源に対応する導電パターン８５とが形成され
ている。そして、前記各個別電極２４上には、前述した
フィールドエミッタ２５が配設されている。さらに、基
板２３上には、各フィールドエミッタ２５を中心とした
開口２６を有するゲート電極２７が適宜な絶縁層２８を
介して配設され、全体として一体に形成されている。ま
た、各個別電極２４と導電パターン８５との間には、半
田バンプ８６を介してフリップチップ形式で実装された
フィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７が配設されている。
そして、フィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７の厚さは、
５００μｍ程度とされ、フィールドエミッタ２５の厚さ
１μｍ程度とゲート電極２７から潜像担持体２９との間
の距離約１００μｍの和よりも大きくされている。

【０１１８】また、本実施例における潜像担持体２９
は、図８に示すような誘電体ベルト５４とされ、適宜な
ローラ部材８８あるいは図示しない所望のベルト保持部
材により、ヘッド２２ｄとの距離を一定に保持されてい
る。

【０１１９】また、フィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７
は、誘電体ベルト５４による汚染や誘導を防止する適宜
なカバー８９により保護されている。

【０１２０】図１７に示すように、本実施例のヘッド２
２ｄのフィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７の内部には、
前述した図１１に示す駆動用トランシスタ３４、Ｄ／Ａ
変換回路６４、ストローブ信号７０での動作時間の制御
を行なうためのゲート回路６９、重み付きのシリアル信
号６５をパラレル信号に変換するためのシフトレジスタ
６６等（図示せず）が形成されている。

【０１２１】このような構成によっても、前述した第１
実施例のヘッド２２ａと同様な効果を奏することができ
る。そして、フィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７の内部
にて多くの処理を行なうことができるので、基板２３
を、それ自体には個別電極２４のパターンと各々のフィ
ールドエミッタ駆動用ＩＣ８７との間を電気的に接触す
る導電パターン８５のみが形成されているという非常に
簡単な構成とすることができる。さらに、ストローブ信
号７０、重み付きのシリアル信号６５、シフトロック９
０、ラッチ信号６８をフィールドエミッタ駆動用ＩＣ８
７を介してヘッド２２ｄに伝達することにより、基板２
３上に形成する導電パターン８５を単層とすることがで
きるので、導電パターン８５を基板２３上に容易に形成
することができる。

【０１２２】すなわち、ヘッド２２ｄの内部にフィール
ドエミッタ駆動用ＩＣ８７によって、駆動回路３２ａの
一部を配設することができるので、部品点数を少なく
し、装置の小型化、低価格化を容易に図ることができ
る。

【０１２３】図１８に示すように、本実施例のヘッド２
２ｄの駆動回路３２ｂは、前述した駆動回路３２ａ（図
２）と同様に、潜像書き込み用電源ＶＬと電子放出用電
源ＶＥとが接続されている。そして、フィールドエミッ
タ駆動用ＩＣ８７には、その論理回路の電源ＶＤＤが接
続されており、この電源ＶＤＤの電源電圧は５Ｖとされ
ている。

【０１２４】また、フィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７
に対する入力信号の論理レベルの電圧も電源電圧が５Ｖ
のＴＴＬまたはＭＯＳのレベルとされている。

【０１２５】なお、フィールドエミッタ駆動用ＩＣ８７
の動作の基準電位は、グランドレベルに対して潜像書き
込み用電源ＶＬの電圧と電子放出用電源ＶＥの電圧の和
に対応させただけのマイナスの極性の電位とすることが
肝要である。また、潜像書き込み用電源ＶＬの電圧とし
ては５００Ｖ程度の電圧が用いられ、通常の信号伝達回
路では取り扱いが困難な電位差が生じるので、ヘッド２
２ｄの全ての入力信号を適宜なフォトカプラ９１で絶縁
し、外部のグランドのレベルを基準電位とした信号源に
接続することが望ましい。なお、フォトカプラ９１とし
ては、応答速度が速く論理回路に直結することが可能な
論理回路出力型のものが望ましい。

【０１２６】つぎに、本発明に係る印字装置について説
明する。

【０１２７】図１９は本発明に係る印字装置の第１実施
例を示すものである。

【０１２８】本実施例の印字装置９２（以下、印字装置
という）は、潜像担持体２９として誘電ドラム４７を用
いたものである。

【０１２９】図１９に示すように、本実施例の印字装置
９２は、誘電体ドラム４７が図において矢印にて示す時
計方向に回転自在に配設されており、この誘電ドラム４
７の周囲に、図において上部から時計方向に、誘電ドラ
ム４７上に図示しない所望の画像に対応した静電潜像を
形成する潜像形成手段としてのヘッド２２（符号は本実
施例のヘッド２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを総称
し、図においてはヘッド２２ａを示し、以下同様とす
る。）と、静電潜像を図示しないトナーにより顕像化す
る現像手段としての適宜な現像器９３と、トナーにより
顕像化された静電潜像を用紙などの記録媒体５３上に転
写するとともに定着する転写定着手段としての加圧ロー
ラ９４と、誘電体ドラム４７を清浄にするクリーニング
手段としての適宜な金属製のブレード９５を有するクリ
ーナ９６と、誘電ドラム４７の荷電状態を除去する除電
手段としての適宜なＡＣ除電器９７とが順に配置されて
形成されている。

【０１３０】前記現像器９３には、マイナス帯電の感光
体を用いた正規現像と同じプラス帯電のトナーが用いら
れており、現像器９３のスリーブ９８には、特にバイア
ス電圧を加えずに接地電位にて用いられる。

【０１３１】また、転写および定着は、誘電体ドラム４
７に加圧ローラ９４を所望の当接力をもって当接させて
記録媒体５３を誘電体ドラム４７に押し付け、前記圧接
力の圧力により同時に行うようになっている。これによ
り、熱定着器を用いずに定着が可能となり、消費電力を
減少させるとともに、ウォームアップ時間を不要とする
ことができる。

【０１３２】また、従来の電子写真に用いられるクリー
ナのブレード（図示せず）は、感光体（図示せず）が傷
つき易いためにゴム製とされているが、本実施例の印字
装置９２のクリーナ９６のブレード９５は、誘電体ドラ
ム４７の強度が高いため金属製のものを用いることがで
き、ブレード９５の精度、耐久性を確実に向上させるこ
とができる。そして、誘電体ドラム４７の除電には、Ａ
Ｃ除電器９７によりプラスとマイナスの両極性のイオン
を用いて誘電体ドラム４７の表面の電荷を効率よく中和
することができる。

【０１３３】このような構成からなる本実施例の印字装
置９２によれば、前述したヘッド２２の効果と相まっ
て、階調の再現性が極めて高い高品位の印字品質を得る
ことができるとともに、多種多様の用途に用いることが
できる。

【０１３４】図２０は本発明に係る印字装置の第２実施
例を示すものである。

【０１３５】本実施例の印字装置９２ａは、潜像担持体
２９として誘電体ベルト５４を用いたものである。

【０１３６】図２０に示すように、本実施例の印字装置
９２ａにおいては、回転自在に支持されるとともに上下
に離間状態とされた２本のローラ９９，１００が配置さ
れており、ローラ９９，１００の何れか一方は駆動ロー
ル、他方は従動ロールとされている。そして、それぞれ
のローラ９９，１００外周面に接触するようにして誘電
体ベルト５４が巻回されている。さらに、誘電体ベルト
５４は、前記各ロール９９，１００により図において矢
印にて示す方向に移動自在とされている。

【０１３７】前記誘電体ベルト５４の下部左方には、図
示しない所望の画像に対応した静電潜像を形成する潜像
形成手段としてのヘッド２２が配置されている。そし
て、誘電体ベルトの下部右方には、静電潜像を図示しな
いトナーにより顕像化する現像手段としての適宜な現像
器９３が配置されている。さらに、誘電体ベルト５４の
上部左方には、誘電体ベルト５４を清浄にするクリーニ
ング手段としての適宜なクリーナ９６が配置されてい
る。また、ヘッド２２とクリーナ９６との間には、誘電
体ベルト５４と対向するようにして誘電ベルト５４の表
面の荷電状態を除去する除電手段としての適宜なＡＣ除
電器９７が配置されている。

【０１３８】前記誘電体ベルト５４の上部には、図にお
いて矢印にて示す水平方向左方に走行自在とされた記録
媒体５３を介して、トナーにより顕像化された静電潜像
を記録媒体上に転写する静電転写としてのイオン発生器
１０１が配置されている。このイオン発生器１０１は、
ヘッド２２と同様なフィールドエミッタ２５を有する構
造とされている。

【０１３９】また、記録媒体５３の走行方向下流側に
は、記録媒体５３にトナーを熱の作用により定着させる
定着手段としての定着ローラ１０２と、弾性を有する加
圧ローラ１０３とが、記録媒体５３を挟持自在にして配
置されている。

【０１４０】このような構成からなる本実施例の印字装
置９２ａによれば、前述した第１実施例の印字装置９２
と同様な効果を奏する。そして、本実施例の静電転写に
用いるイオン発生器１０１の構造は、画像形成の必要が
なく電流の均一性の要求も少ないため、図示しないフィ
ールドエミッタの数を減らしたり、イオン発生器１０１
と誘電体ベルト５４との間の距離を大きくしたりするこ
とができる。さらに、記録媒体に対するトナーの定着を
定着ローラ１０２と加圧ローラ１０３とにより行うの
で、前述した第１実施例の印字装置９２の加圧ローラ９
４を用いた場合の、記録媒体５３およびトナーを高い圧
力で押しつぶすことによる記録媒体５３およびトナーの
光沢の発生を確実に防止して、より高品位の印字品質を
得ることができる。また、イオン発生器１０１はヘッド
２２と同様に小型化するとともに低電圧、低消費電力に
て動作させることができるとともに、イオン発生器１０
１は、図示しないコロトロン等の他のイオンの発生手段
と比べて、発生するイオンの密度が高いため転写領域が
限定され、転写による画像の劣化を確実に防止すること
ができる。さらに、イオン発生器１０１はヘッド２２と
同じ極性で、かつ、少ない電流にて動作させることがで
きるので、ヘッド２２の図示しない駆動回路の電源を共
用することができる。このことは、印字装置９２ａの全
体の駆動回路および装置（図示せず）等の小型化を確実
に図ることができるとともに、経済的負担を確実に減少
させることができる。

【０１４１】図２１は潜像担持体として誘電体ベルトを
用いた印字装置の他の例を示すものである。

【０１４２】本実施例の印字装置９２ｂにおいては、前
述した第２実施例の印字装置９２ａのようにトナーによ
り顕像化された静電潜像を記録媒体５３上に転写する静
電転写としてのイオン発生器１０１は配置されておら
ず、代わりに記録媒体５３にトナーを転写するとともに
定着させる転写定着手段として定着ローラ１０２と加圧
ローラ１０３とがポリイミド等の耐熱性の素材により形
成された誘電体ベルト５４ａを挟持するようにして配置
されており、この定着ローラ１０３の下方に、２本のロ
ーラ９９，１００が左右に平行に配置され、前記誘電体
ベルト５４ａが前記定着ローラ１０２と２本のローラ９
９，１００とのそれぞれの外周面に接触するようにして
巻回されている。

【０１４３】前記誘電体ベルト５４ａの下部には、図示
しない所望の画像に対応した静電潜像を形成する潜像形
成手段としてのヘッド２２が配置されており、誘電体ベ
ルト５４ａの下部右方には、前記静電潜像を図示しない
トナーにより顕像化する現像手段としての適宜な現像器
９３が配置されている。さらに、誘電体ベルト５４ａの
下部左方には、誘電体ベルト５４ａを清浄にするクリー
ニング手段としての適宜なクリーナ９６が配置されてお
り、その上方に誘電体ベルト５４ａと対向するようにし
て誘電ベルト５４ａの荷電状態を除去する除電手段とし
ての適宜なＡＣ除電器９７が配置されている。

【０１４４】このような構成からなる本実施例の印字装
置９２ｂによれば、前述した第２実施例の印字装置９２
ａと同様な効果を奏するとともに、転写時の画像の劣力
をより確実に防ぎ、より高品位の印字品質を得ることが
でき、かつ、小型化を容易に図ることができる。

【０１４５】なお、定着ローラ１０２の代わりにサーマ
ルヘッドのような一次元の発熱素子あるいは二次元の発
熱体等を用いることもできる。

【０１４６】また、本発明は、前記実施例に限定される
ものではなく、必要に応じて変更することができる。

【０１４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のイオン書き
込みヘッドおよびそれを用いた印字装置によれば、潜像
形成に必要な量だけの画像に対応した電子およびびイオ
ンをオンディマンドで、かつ、リアルタイムに発生させ
ることができ、イオンの利用効率を確実に向上させるこ
とができるとともに、階調の再現性が高く、高品位の印
字品質を得ることができるという極めて優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るイオン書き込みヘッドの第１実施
例の要部の構成を示す縦断面図

【図２】図１の駆動回路を示す回路図

【図３】（ａ）から（ｇ）は本発明に係るイオン書き込
みヘッドの製造工程を説明する説明図

【図４】（ａ）から（ｉ）は本発明に係るイオン書き込
みヘッドの他の例の製造工程を説明する説明図

【図５】本発明に係るイオン書き込みヘッドのフィール
ドエミッタの頂部の表面の外側に働く電界をフィールド
エミッタの表面に沿う形の等電位面と、それに直交する
電気力線とにより示す模式図

【図６】本発明に係るイオン書き込みヘッドのゲート電
極と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第１実施
例を示す要部の斜視図

【図７】本発明に係るイオン書き込みヘッドのゲート電
極と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第２実施
例を示す要部の側面図

【図８】本発明に係るイオン書き込みヘッドのゲート電
極と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第３実施
例を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面
図

【図９】本発明に係るイオン書き込みヘッドのゲート電
極と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第４実施
例を示す縦断面図

【図１０】本発明に係るイオン書き込みヘッドのゲート
電極と潜像担持体の距離を一定に保持する構造の第５実
施例を示す縦断面図

【図１１】本発明に係るイオン書き込みヘッドの駆動回
路の他の例を示す回路図

【図１２】本発明に係るフィールドエミッタの電圧−電
流特性および定電流電源による負荷特性ならびに直列抵
抗による負荷特性を示す線図

【図１３】本発明に係るイオン書き込みヘッドの第２実
施例の要部の構成を示す分解斜視図

【図１４】図１３のイオン書き込みヘッドの等価的な回
路および駆動回路の一部を示す回路図

【図１５】本発明に係るイオン書き込みヘッドの第３実
施例を示すものであり、（ａ）は要部の構成を示す縦断
面図、（ｂ）は（ａ）の要部の下面図

【図１６】本発明に係るイオン書き込みヘッドの第４実
施例を示す側断面図

【図１７】図１６の回路図

【図１８】図１６の駆動回路の全体を示す回路図

【図１９】本発明に係る印字装置の第１実施例の要部の
構成を示す模式図

【図２０】本発明に係る印字装置の第２実施例の要部の
構成を示す模式図

【図２１】本発明に係る印字装置の第３実施例の要部の
構成を示す模式図

【図２２】従来のイオン書き込みヘッドの一例を示すも
のであり、（ａ）は全体の形状を示す斜視図、（ｂ）は
要部の構成を示す縦断面図、（ｃ）はライン電極とフィ
ンガー電極との配置状態を示す説明図

【図２３】従来のイオン書き込みヘッドの他の例を示す
模式図

【図２４】従来の印字装置の要部を示す模式図

【符号の説明】

２２、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄイオン書き込
みヘッド２３基板２４，２４ａ個別電極２５，２５ａ，２５ｂフィールドエミッタ２６開口２７，２７ａゲート電極２８絶縁層２９潜像担持体３２，３２ａ，３２ｂ駆動回路４７誘電体ドラム５４誘電体ベルト９２，９２ａ，９２ｂ印字装置９３現像器９４加圧ローラ９６クリーナ９７ＡＣ除電器９９ローラ１００ローラ１０１イオン発生器１０２定着ローラ１０３加圧ローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体により構成される潜像担持体上に
荷電粒子を選択的に付着させて静電潜像を形成するイオ
ン書き込みヘッドにおいて、基板上に形成された複数の
個別電極と、前記個別電極上に形成されたフィールドエ
ミッタと、前記フィールドエミッタから電子を引き出す
ためのゲート電極とを有することを特徴とするイオン書
き込みヘッド。
【請求項２】前記個別電極上に複数のフィールドエミ
ッタからなるフィールドエミッタグループを形成するこ
とを特徴とする請求項１に記載のイオン書き込みヘッ
ド。
【請求項３】前記基板上に、更にフィールドエミッタ
駆動用ＩＣを実装したことを特徴とする請求項１または
請求項２に記載のイオン書き込みヘッド。
【請求項４】誘電体により構成される潜像担持体上に
イオン書き込みヘッドをもって荷電粒子を選択的に付着
させて静電潜像を形成し、前記静電潜像をトナーにより
現像することにより顕像化するとともに記録媒体上に転
写および定着することにより印字を行なう印字装置にお
いて、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のイオン
書き込みヘッドを駆動することにより選択的に荷電粒子
を発生させるとともに、該荷電粒子を前記潜像担持体上
に付着させることにより静電潜像を形成することを特徴
とする印字装置。
【請求項５】前記潜像担持体は、表面に誘電体層を有
する金属基体からなる誘電体ドラムとすることを特徴と
する請求項４に記載の印字装置。
【請求項６】前記潜像担持体は、無端ベルト状の誘電
体ベルトとすることを特徴とする請求項４に記載の印字
装置。
【請求項７】加圧ローラをもって定着させることを特
徴とする請求項４に記載の印字装置。
【請求項８】定着ローラと加圧ローラとをもって定着
させることを特徴とする請求項４に記載の印字装置。
【請求項９】基板上に形成された複数の個別電極と、
前記個別電極上に形成されたフィールドエミッタと、前
記フィールドエミッタから電子を引き出すためのゲート
電極とを有するイオン発生器により転写させることを特
徴とする請求項４に記載の印字装置。