JP4616501B2

JP4616501B2 - 帯電装置及び帯電装置を用いた画像形成装置

Info

Publication number: JP4616501B2
Application number: JP2001116011A
Authority: JP
Inventors: 智明菅原; 浩近藤; 浩義庄子
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP2002311683A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被帯電体を帯電させる帯電装置に係り、特に電子放出による負イオンと電子を利用して感光体を帯電させるようにした電子放出型の帯電装置及び帯電装置を用いた電子写真方式の画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子写真方式の画像形成装置に用いられる帯電器においては、基本的に、放電を用いてイオンを発生させているため、オゾン及びＮＯｘを発生する。比較的放電の悪影響の少ないもので接触型の帯電器があるが、感光体磨耗、ＮＯｘ系化合物の表面付着などの問題が生じる。また、放電により発生するＮＯｘに起因する物質が感光体に付着し吸湿することで、感光体表面電位を低下させることにより不良画像が発生するという不具合が問題になっている。
【０００３】
これら問題点を解消するため、最近においては非放電型の電荷発生器が検討されている。例えば、特開平８−２０３４１８号公報等に開示されているような静電潜像形成装置に用いられる電荷発生器が知られている。この公報記載の静電潜像形成装置においては、ライン電極表面にＰＮ接合の半導体素子、又はエレクトロルミネッセンス材料よりなる電子放出素子層を設けた電荷発生器、及びこれを一画素単位で独立に駆動させ誘電体上に潜像を形成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平８−２０３４１８号公報記載の電荷発生器は、基本的に電子放出素子層を一体で作製されるため、大型の電子放出素子を作製するために大型の装置が必要となり、製造コストがかかってしまうという課題が残されている。また、電荷発生器を単純に画像形成装置内に配置するだけでは、大きな幅を有する誘電体を帯電させる場合に、帯電ムラを発生し易いという問題する。
【０００５】
また、最近の環境保護意識の向上に伴い、電子写真方式の画像形成装置に対しても、発生するオゾン量を規制するための規格が設定されており、電子写真プロセスで発生するオゾン量を低減して規制値を超えない複写機やプリンタを開発することが要求されている。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、電子放出素子を用いた帯電装置において、大きな幅の被帯電体に帯電させる場合にも帯電ムラの少ない、安定した帯電効率を長期間にわたって維持可能な帯電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、オゾン発生量が少なく、ＮＯｘによる感光体の寿命低下を少なくし、かつ安定した高画質の画像形成が可能な電子写真方式の画像形成装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載された発明は、内部の電界によりエネルギーを与えた電子を放出する電子放出素子を有し、該電子放出素子の放出した電子により、所定の幅を有する被帯電体を帯電させる帯電装置において、該電子放出素子の少なくとも一部に電気的負性気体を含む気体を接触させ、放出された電子と前記電気的負性気体の分子により発生した負イオンとにより被帯電体を帯電させる構成とし、前記電子放出素子を複数の分割電子放出部に区分けし、該複数の分割電子放出部を被帯電体の幅方向に平行な方向に配置するともに、前記電子放出素子の各分割電子放出部における電極端部の幅を変化させたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、前記電子放出素子の各分割電子放出部に独立した電気的条件を設定したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載された発明は、前記電子放出素子に印可する電圧を制御することにより放出電流量を制御する制御手段を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載された発明は、前記被帯電体を感光体により構成し、該感光体の帯電電位、もしくはトナー濃度を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記電子放出素子に印可する電圧を決定するフィードバック制御機構を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載された発明は、請求項１に記載の帯電装置において、前記被帯電体の進行方向と垂直な方向で、各分割電子放出部の電極部分に微小な隙間を設けた配置とし、該隙間に近接する部分の電極幅を他の部分の電極幅より大きくしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載された発明は、請求項１に記載の帯電装置において、前記電子放出素子の複数の分割放出部を前記被帯電体の進行方向に沿って２列配置し、各列の分割電子放出部の電極部分が互いに近接する部分の電極幅を他の部分の電極幅より小さくしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載された発明は、請求項１乃至６のいずれか一項記載の帯電装置において、前記電子放出素子の、各分割電子放出部の電極部分以外の部分を、絶縁体で覆ったことを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載された発明は、請求項７記載の帯電装置において、前記絶縁体が耐絶縁性樹脂からなることを特徴とする。
【００１７】
請求項９記載の発明は、感光体上に静電潜像を保持させて画像を形成する画像形成装置であって、請求項１乃至８記載の帯電装置を用いて該感光体を帯電させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１９】
図ｌは、本発明に係る帯電装置の電子放出素子の基本的構成例を示す。図１は、便宜上、このような平面として表示している。
【００２０】
図１に示すように、本発明の帯電装置に適用される電子放出素子１は、石英基板６上に形成された、基板電極５上に半導体層４（例えば、単結晶シリコン）が形成され、半導体層４を陽極酸化によりポーラス化し、その後、急速熱酸化（ＲＴＯ：ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＯｘｉｄａｔｉｏｎ）により多孔質半導体層（ポーラスシリコン）２を形成する。この多孔質半導体層２を薄い酸化膜で覆い、最後に、表面に電子がトンネル効果で通過できるような薄膜電極７を形成する。
【００２１】
図１に示した被帯電体は、通常、電子写真用感光体である。図示した被帯電体の電極は、感光体のアルミドラムと考えることができる。この場合、被帯電体は、電子放出素子１に対し、一定の線速度Ｓで移動すると仮定する。
【００２２】
電源８で、２０Ｖほどの電圧をかけると真空中の電子として１ｍＡ／ｃｍ^２程度の電流が観測される。図１に示した構成では、大気圧気体であるためイオン化の効率等でこれより低い電流値となる。しかし、負帯電用のスコロトロン帯電器と同じようにこのイオンにより帯電が可能である。
【００２３】
図１に示した電子放出素子１は、ポリシリコンから作成された多孔質半導体層（ポーラスシリコン）を用いた。このポーラスシリコンの作成方法については公知であり、例えば、特許第２９６６８４２号公報等に開示される電界放射型電子源に用いられている。しかし、本発明の電子放出素子としてこれに限られるものではなく、図１に示した例のように、固体中から電子を放出するもので有ればよく、電子の放出量に関係して、帯電効率が変化するもので有れば適用可能である。
【００２４】
例えば、本発明の帯電装置に適用可能な電子放出素子としては、ＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）構造を有するもの、あるいはＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）構造を有するものであってもよい。
【００２５】
また、（ａ）半導体基板と、（ｂ）該半導体基板の表面を陽極酸化処理により多孔質化した多孔質半導体層と、（ｃ）該多孔質半導体眉上に形成される金属薄膜電極と、（ｄ）前記半導体基板の裏面に形成されるオーミック電極とを有するものであってもよい。
【００２６】
さらに、下部電極と、下部電極上に形成されたタンタルオキサイド（Ｔａ_２Ｏ_５）膜と前記タンタルオキサイド（Ｔａ_２Ｏ_５）膜上に形成されたＺｎＳ膜と、前記ＺｎＳ膜上に形成された上部電極により構成されているエレクトロルミネッセント素子であるもの、等であってもよい。
【００２７】
本発明の電子放出素子によるイオン化での帯電機構は、オゾン、ＮＯｘの発生量が極めて少ない。しかし、通常半導体を用いたプロセスでは、単結晶シリコンで３００ｍｍ程度、ポリシリコンやアモルファスシリコンでも、大型のものは成膜装置的な制約がある。また、大型化に伴いばらつきの度合いが大きくなる。本構成では、たとえば、６インチの単結晶プロセスで、多数のチップを作製し、特性によるクラス分けを行い帯電ムラを低減化できる。
【００２８】
図２は、本発明の帯電装置の電子放出による電気的負性気体の負イオン化を説明するための図である。
【００２９】
電子放出による電気的負性気体の負イオンの構成は、大気の条件により変動するので、必ずしもこれに固定されるわけではないが、おおむね図２に示すような形で、電荷が伝わっていくと考えられる。
【００３０】
電子の大気中での平均自由工程は、０．３４μｍ程度といわれており、電子での電荷の輸送は大気中である限り、支配的ではないと考えられる。これら電子放出素子によるイオン化での帯電機構は、オゾン、ＮＯｘの発生量が極めて少ない。しかし、電子の放出量が帯電量に直接影響するため、このムラが直接帯電電位に影響する。これを防止する構成が必要である。
【００３１】
図３は、本発明の第１の実施例を説明するための構成例を示す。
【００３２】
図３に示すように、本実施例の電子放出素子１は、複数の分割電子放出部３１、３２、３３、３４（各電極部分のみ図示されている）に区分けされ、絶縁部５１、５２、５３、５４によって互いに分割されている。これらの分割電子放出部３１、３２、３３、３４は、被帯電体の幅方向（例えば、図７の紙面に垂直な方向）に平行な方向（図３の１点鎖線Ａの方向）に配置される。
【００３３】
図１の構成と同様に、電源８から供給される電源電圧は電子放出素子１の基板電極５と分割電子放出部３１、３２、３３、３４の各電極部分との間に印加されるが、電源８と各電極部分との接続は、可変抵抗６１、６２、６３、６４を介して行われている。したがって、各分割電子放出部に独立した電気的条件を設定する構成である。
【００３４】
図３の構成例においては、可変抵抗６１、６２、６３、６４により各分割電子放出部の薄膜電極（引き出し電極）７の電位を各々独立に変化させることが可能である。これにより各チップ間のばらつきを調整できる。
【００３５】
さらに、可変抵抗６１、６２、６３、６４に対して、その抵抗値を制御する制御信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を出力する制御部４２を設けている。したがって、電子放出素子１の各分割電子放出部に印可する電圧を制御することにより放出電流量を制御することが可能である。
【００３６】
さらに、図３の構成例においては、被帯電体（感光体）１２の感光体の帯電電位、もしくはトナー濃度等の帯電起因因子を検知する検知部４１を設け、感光体の帯電電位もしくはトナー濃度等の検出結果を示す検出信号を検知部４１から制御部４２に供給し、かつ、制御部４２を検知部４１の検出結果に基づいて前記電子放出素子１に印可する電圧を決定するフィードバック制御機構として構成している。検知部４１として、帯電センサーやトナー濃度センサーの情報をフィードバックすることにより、時間的なムラの少ないものを形成できる。
【００３７】
図４は、本発明の第２の実施例を説明するための構成例を示す。図５は、図４に示した帯電装置の電子放出素子の変形例を説明するための構成例を示す。
【００３８】
図４、図５においては、電子放出素子１のチップ構成のみを示す。
【００３９】
図４の構成例においては、電子放出素子１を複数の分割電子放出部３０Ａに区分けし、各分割電子放出部３０Ａにおける電極端部の幅を変化させた構成としている。より詳細に説明すると、被帯電体の進行方向（図４の一点鎖線Ｔの方向）と垂直な方向（図４の一点鎖線Ａの方向）で、各分割電子放出部３０Ａの電極部分に微小な隙間を設けた配置とし、該隙間に近接する部分の電極幅を他の部分の電極幅より大きくした構成としている。
【００４０】
図４のように横に配置する場合は、どうしても被帯電体の移動方向に垂直な方向に隙間ができ、空間的な電流量が減る。しかし、この部分の電極面積を増すことにより、これを防いでいる。
【００４１】
図５に示した変形例では、電子放出素子１の複数の分割電子放出部３０Ｂを被帯電体の進行方向（図５の一点鎖線Ｔの方向）に沿って２列配置し、各列の分割電子放出部３０Ｂの電極部分が互いに近接する部分の電極幅を他の部分の電極幅より小さくした構成としている。この構成の場合、被帯電体が、同じように電流を浴びるように配置している。
【００４２】
図６は、本発明の第３の実施例を説明するための構成例を示す。
【００４３】
図６の構成例においては、電子放出素子１は複数の分割電子放出部３０Ｃに区分けされ、各分割電子放出部３０Ｃの電極部分以外の部分を、絶縁体７０で覆っている。絶縁体７０は、例えば、耐絶縁性樹脂からなる樹脂コートとして形セされる。
【００４４】
この第３の実施例においては、電子放出電極面のみを残し、樹脂コートしている。これにより、ナトリウムイオンなどのアルカリ金属イオンや水分などの不安定要因が、チップ内部に入り込まず安定した動作が可能となる。これには、不純物を非常に少なくした半導体系の接着剤や、例えばエポキシ系の接着剤を樹脂コートとして適用できる。また、層間絶縁膜として使用されるポリイミド系の材料などを適用している。これは、通常の作製行程が終わってから、ディスペンサー等での展開を行った。
【００４５】
図７は、本発明に係る帯電装置を用いた画像形成装置を説明するための概略構成図である。
【００４６】
図７を用いて、本発明に係る帯電装置１０を画像形成装置に適用する場合について説明する。この例では、画像形成装置は電子写真方式の複写機やプリンタとして用いられる静電潜像形成装置である。
【００４７】
この画像形成装置は、中心軸Ｏの周りに回動可能に設けられたドラム形状の感光体１２を備えている。この感光体１２が、本発明の帯電装置１０が放出する電子とイオンにより帯電される被帯電体である。画像形成動作が開始されると、感光体１２は矢印Ｓの方向に中心軸Ｏ周りに一定線速度で回動される。
【００４８】
帯電装置１０は、電子放出素子１の複数の分割電子放出部３０の配列方向Ａが感光体１２の軸方向（紙面に垂直な方向）と平行となり、かつ、配列方向Ａと直角をなす方向Ｔ（図７の矢印Ｔの方向）が感光体１２の回転方向（接線方向）と一致するように配置される。したがって、大きな幅を有する感光体の場合でも、帯電ムラが発生しにくい。
【００４９】
感光体１２の周囲には、上記帯電装置１０、現像ローラ１６、転写チャージャ１４及び除電ブラシ１８が配備されている。帯電装置１０により帯電された感光体１２は、露光装置２０が画像情報にしたがって発生する光ビームの光走査を受け、感光体上に静電潜像が記録される。感光体１２に近接させた現像ローラ１６の表面には帯電したトナーが供給され、このトナーが感光体１２の静電潜像に付着して画像を顕像化する。すなわち、トナー像が形成される。
【００５０】
一方、図示されていない紙搬送手段によって、被記録体１３（通常、被記録体として記録紙を用いる）が記録タイミングに合わせて感光体１２の転写チャージャ１４近傍に搬送される。記録紙１３が感光体１２を通過する際に、転写チャージャ１４によって、トナー像が転写される。記録紙１３はさらに、定着ローラ２０へ搬送され、定着ローラ２０で定着されて、画像形成装置の外側に設けられた排紙トレイに排出される。除電ブラシ１８は、感光体１２に残った電荷を取り除き、帯電装置１０による感光体１２の再帯電に備える。
【００５１】
図７に示すように、本発明の帯電装置１０を、電子写真方式の静電潜像形成装置における帯電器として適用することで、従来の電子写真プロセスをほとんど変更することなく、オゾンと窒素酸化物が非常に少ない画像形成装置を構成することができる。また、電子放出素子の複数の分割電子放出部を被帯電体の幅方向と平行な配列方向に配置する構成としたため、大きな幅の被帯電体に帯電させる場合にも帯電むらを低減させ、安定した帯電効率を実現することが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の帯電装置によれば、低いエネルギーの電子による放電を伴わない負イオン形成により被帯電体を帯電させる電子放出素子を用いているため、オゾン、ＮＯｘの発生量が極めて少ない。また、電子放出素子を被帯電体の幅方向に対応する配列方向に複数の分割電子放出部を配置する構成としたため、大きな幅の被帯電体に帯電させる場合にも帯電むらを低減させ、安定した帯電効率を実現することが可能となる。
【００５３】
請求項１記載の帯電装置によれば、電子放出素子を区分して、並べる構成により、大型の電子写真方式画像形成装置等に適応できる帯電器を作製することができる。
【００５４】
請求項２記載の帯電装置は、分割した部分のチップ特性に対し独立した電気的条件で放出電流を一定にすることにより、帯電ムラを低減できる。
【００５５】
請求項３記載の帯電装置は、素子への印加電圧で放出電流量がコントロールでき、これを利用して、帯電ムラを低減できる。
【００５６】
請求項４記載の帯電装置は、実際に問題となる帯電電位、トナー濃度によるフィードバックにより、さらに、時間軸上での帯電ムラを低減できる。
【００５７】
請求項５記載の帯電装置は、チップの電極間では、空問への放出電流がない。
しかし、負イオン等が気体中で拡散するため、急激に帯電量が部分的に落ちることはない。それでも、帯電ムラが生じるレベルの変化はあるためそれを補正するためにチップの配置に従い幅を調整して均一帯電を可能とする。
【００５８】
請求項６記載の帯電装置は、チップの電極間では、空間への放出電流がない。
しかし、負イオン等が気体中で拡散するため、急激に帯電量が部分的に落ちることはない。それでも、帯電ムラが生じるレベルの変化はあるためそれを補正するために幅を増やし均一化できる。
【００５９】
請求項７記載の帯電装置は、チップ間のムラを低減するために線速方向に複数のチップを置いて調整するが、トータルの帯電量を調整するために電極の端を狭くし、均一帯電できる。
【００６０】
請求項８記載の帯電装置は、チップへの水分、空気などの進入による劣化を絶縁体でふさぐことにより、電極部等での放電防止、チップの劣化防止を計ることができる。
【００６１】
請求項９記載の帯電装置は、チップへの水分、空気などの進入による劣化を絶縁体でふさぐことにより、電極部等での放電防止、チップの劣化防止を計ることができるが、これを樹脂により行うために、基板上への他の機能チップの実装なども簡便に可能となる。
【００６２】
請求項１０記載の画像形成装置は、請求項１乃至９記載の帯電装置を使用することにより、オゾン、ＮＯｘの発生の少ない電子写真方式画像形成装置を構成でき、感光体の劣化因子が少なくなり、高寿命で、環境に配慮した画像形成装置を作成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る帯電装置に適用される電子放出素子の基本的構成例を示す図である。
【図２】本発明の帯電装置の電子放出による電気的負性気体の負イオン化を説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施例を説明するための構成例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例を説明するための構成例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施例を説明するための構成例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施例を説明するための構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る帯電装置を用いた画像形成装置を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
１電子放出素子
２多孔質半導体層
４半導体層
５基板電極
６石英ガラス
７薄膜電極
８電源
９バイアス電源
１０帯電装置
１２感光体
３１、３２、３３、３４分割電子放出部
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ分割電子放出部
５１、５２、５３、５４絶縁体

Claims

内部の電界によりエネルギーを与えた電子を放出する電子放出素子を有し、該電子放出素子の放出した電子により、所定の幅を有する被帯電体を帯電させる帯電装置において、
該電子放出素子の少なくとも一部に電気的負性気体を含む気体を接触させ、放出された電子と前記電気的負性気体の分子により発生した負イオンとにより被帯電体を帯電させる構成とし、
前記電子放出素子を複数の分割電子放出部に区分けし、該複数の分割電子放出部を被帯電体の幅方向に平行な方向に配置するともに、
前記電子放出素子の各分割電子放出部における電極端部の幅を変化させたことを特徴とする帯電装置。
前記電子放出素子の各分割電子放出部に独立した電気的条件を設定したことを特徴とする請求項１記載の帯電装置。
前記電子放出素子に印可する電圧を制御することにより放出電流量を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の帯電装置。
前記被帯電体を感光体により構成し、該感光体の帯電電位、もしくはトナー濃度を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に基づいて前記電子放出素子に印可する電圧を決定するフィードバック制御機構を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の帯電装置。
前記被帯電体の進行方向と垂直な方向で、各分割電子放出部の電極部分に微小な隙間を設けた配置とし、該隙間に近接する部分の電極幅を他の部分の電極幅より大きくしたことを特徴とする請求項１記載の帯電装置。
前記電子放出素子の複数の分割放出部を前記被帯電体の進行方向に沿って２列配置し、各列の分割電子放出部の電極部分が互いに近接する部分の電極幅を他の部分の電極幅より小さくしたことを特徴とする請求項１記載の帯電装置。
前記電子放出素子の、各分割電子放出部の電極部分以外の部分を、絶縁体で覆ったことを特徴とする請求項１乃至６記載の帯電装置。
前記絶縁体が耐絶縁性樹脂からなることを特徴とする請求項７記載の帯電装置。
感光体上に静電潜像を保持させて画像を形成する画像形成装置において、請求項１乃至８記載の帯電装置を用いて該感光体を帯電させることを特徴とする画像形成装置。