JP5369369B2 - 表面電位分布の測定方法、表面電位の測定装置、感光体静電潜像の測定装置、潜像担持体及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式による画像形成装置の感光体静電気潜像等における表面電位分布の測定方法、該表面電位の測定装置、該測定方法または測定装置による感光体正殿潜像の測定装置、該測定方法または測定装置により評価した潜像担持体、並びに該潜像担持体を用いた画像形成装置に関する。

従来、レーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置では、画像情報に応じて変調された光源からの光を走査光学系などを介して感光体上に集光させるとともに、所定の方向（主走査方向）に走査させ、感光体上に静電潜像を形成している。そして、その静電潜像にトナーを付着させ、該トナーを紙などに転写して出力画像としている。

感光体上に形成される静電潜像は、出力画像の品質に大きく影響する。そこで、感光体上に形成された静電潜像を評価する方法及び装置が種々提案されている。そして、その評価結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、出力画像の品質向上を図っていた。

すなわち、従来から市販品としてある振動容量型の表面電位計は、数百〜数千Ｖの電位を数Ｖの電位分解能で計測することが可能ではあるが、原理的にセンサプローブを試料から離れた場所に設置せざるを得ないため、空間分解能が数ｍｍ以上しかなく１ｍｍ以下の領域の電位計測をすることが困難である。

一方、電子ビームを用いた静電潜像の観察方法として、例えば特開平３−４９１４３号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この技術では観察対象とする試料としては、ＬＳＩチップや静電潜像を記憶・保持できる試料に限定されている。すなわち、前述のような暗減衰を生じる通常の感光体を対象としては、測定することができない。通常の誘電体は電荷を半永久的に保持することができるので、電荷分布を形成後、時間をかけて測定を行っても、測定結果に影響を与えることはない。しかしながら、感光体の場合は、抵抗値が無限大ではないので、電荷を長時間保持できず、暗減衰が生じ時間とともに表面電位が低下してしまう。感光体が電荷を保持できる時間は、暗室であってもせいぜい数十秒である。従って、帯電・露光後に電子顕微鏡(SEM)内で観察しようとしても、その準備段階で静電潜像は消失してしまう。

そこで、特開２００３−２９５６９６号公報（特許文献２）に開示されているように、本出願人は、暗減衰を有する感光体試料であっても静電潜像を測定する方式を提案している。すなわち、試料表面に電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。このため、入射電子（荷電粒子ビーム）によって、発生した２次電子はこの電界によって押し戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、電界強度が強い部分は暗く、弱い部分は明るくコントラストがつき、表面電荷分布に応じたコントラスト像を検出することができる。 従って、露光した場合には、露光部が黒、非露光部が白となり、これより形成された静電潜像を測定することができる。

また、同様に、荷電粒子ビームを用いた静電潜像あるいは表面電位分布の測定方法および装置として、特開２００３−３０５８８１号公報（特許文献３）、特開２００５−１６６５４２号公報（特許文献４）及び特開２００５−２２１９３５号公報（特許文献５）に開示されたものがある。
特開平３−４９１４３号公報 特開２００３−２９５６９６号公報 特開３００３−３０５８８１号公報 特開２００５−１６６５４２号公報 特開２００５−２２１９３５号公報

しかし、従来の技術では、表面電化及び表面電位をミクロンオーダーのような高分解能で計測するのは困難であり、例えば画像形成装置の感光体上に形成された静電潜像を評価する上で、改良の余地があった。

本発明は、従来技術ではきわめて困難であった、例えば感光体上の静電潜像の表面電荷及び表面電位を１ｍｍ以下の領域であっても数百〜数千Ｖの電位を数Ｖの電位分解能で計測することが可能な表面電位測定方法及び装置を提供するとともに、該方法および装置により評価した高性能な潜像担持体（感光体）及びこの潜像担持体を備えた画像形成装置を提供することを課題とする。

なお、本願明細書で説明する表面電荷は、厳密には、電荷は試料内に空間的に散らばっていることは周知の通りである。このため、表面電荷とは、電荷分布状態が、厚さ方向に比べて、面内方向に大きく分布している状態を指すことにする。また、電荷は、電子だけでなく、イオンも含める。また、表面に導電部があり、導電部分に電圧が印加されて、それにより、試料表面あるいはその近傍が電位分布を生じている状態であってもよい。

請求項１に記載の本発明の表面電位分布の測定方法は、表面電位分布（あるいは電荷分布）を有する試料に対して、荷電粒子ビームを走査し、該走査によって得られる検出信号により、試料の表面電位分布（あるいは電荷分布）の状態を測定する表面電位分布の測定方法において、入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転する軌道上に反転粒子検知部材を配置し、入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転している時は、反転粒子検知部材に衝突させることで、入射荷電粒子が検出器に到達することを妨げて検出量を減少する構成とすることにより、前記走査によって得られる観察像の中に、反転粒子検知部材に起因して暗くなる部分を作り出し、前記暗くなる部分の確認により、前記荷電粒子ビームが、前記試料に到達せずに反転している状態であることを検知することで、該試料の表面電位を測定することを特徴とする。

請求項２に記載の本発明の表面電位の測定装置は、試料に対して、荷電粒子ビームを走査する手段と、該走査によって得られる荷電粒子の信号を検出する手段と、試料の電荷分布の状態を測定する手段と、を備え、前記入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転する軌道上に配置された反転粒子検知部材を有し、入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転している時は、反転粒子検知部材に衝突させることで、入射荷電粒子が検出器に到達することを妨げて検出量を減少する構成とすることにより、前記走査によって得られる観察像の中に、反転粒子検知部材に起因して暗くなる部分を作り出し、前記荷電粒子ビームが、前記試料に到達せずに反転している状態であることを前記暗くなる部分を確認できるようにして検知することで、該試料の表面電位を測定することを特徴とする。

請求項３に記載の本発明の表面電位の測定装置は、請求項２に記載の表面電位の測定装置であって、前記反転粒子を検知する反転粒子検知部材は、メッシュ状であることを特徴とする。

請求項４に記載の本発明の表面電位の測定装置は、請求項３に記載の表面電位の測定装置であって、前記メッシュ状の反転粒子検知部材は、非磁性の導電性材料であることを特徴とする。

請求項５に記載の本発明の表面電位の測定装置は、請求項２に記載の表面電位の測定装置であって、前記反転粒子を検知する反転粒子検知部材を、前記試料面に対して０．１ｍｍ以上上方に配置することを特徴とする。

請求項６に記載の本発明の表面電位の測定装置は、請求項２に記載の表面電位の測定装置であって、前記荷電粒子ビームの加速電圧を変える手段を有することを特徴とする。

請求項７に記載の本発明の表面電位の測定装置は、請求項２に記載の表面電位の測定装置であって、表面電位のバイアスを変化させる手段を有することを特徴とする。

請求項８に記載の本発明の感光体静電潜像の測定装置は、請求項２乃至７のいずれか一項に記載の表面電位の測定装置と、試料に対して、荷電粒子を照射することで、該試料上に帯電電荷を生成させる手段と、該試料上に露光して静電潜像を形成するための光学系手段と、を備え、試料面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、試料面の静電潜像分布を測定することを特徴とする。

請求項９に記載の本発明の潜像担持体は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の測定方法または測定装置を用いて、潜像担持体の耐絶縁性を評価したときに、試料の厚さ方向にかかる電界強度が１０Ｖ／μｍ以下では、５μｍ以上の大きさの電荷リークの発生がないことを特徴とする。

請求項１０に記載の本発明の画像形成装置は、請求項９に記載の潜像担持体を用い、該潜像担持体の感光面に対して光走査を行うことにより潜像を形成し、現像して可視化することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、表面電位分布を有する試料に対して、荷電粒子ビームを走査し、該走査によって得られる検出信号により、試料の電荷分布あるいは電位分布の状態を測定する方法において、反転粒子検知部材により、入射荷電粒子が、試料に到達せずに反転している状態であることを検知することで、従来は困難であった、１ｍｍ以下の領域の表面電位を高精度に測定することが可能となる。測定領域は、１ｍｍ以上であっても構わない。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様に、反転粒子検知部材により、入射荷電粒子が、試料に到達せずに反転している状態であることを検知することで、従来は困難であった、１ｍｍ以下の領域の表面電位を高精度に測定することが可能となる装置を提供することができる。測定領域は、１ｍｍ以上であっても構わない。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、反転粒子を検知する反転粒子検知部材は、メッシュ状を有することにより、入射荷電粒子が試料に到達したか、反転したかの識別をしやすくなるため、数千Ｖ程度の表面電位であっても１Ｖ程度の電位精度を測定することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３の効果に加えて、メッシュ状の反転粒子検知部材の材質をアルミニウムやりん青銅といった非磁性、ＳＵＳなどの弱磁性材料を用いることにより、入射荷電粒子の軌道に影響を与えることなく、測定することができる。また、導電性材料を用いることにより、材料が帯電することによる電磁場の影響を抑制することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、反転粒子を検知する反転粒子検知部材を試料面に対して０．１ｍｍ以上上方に配置することで、反転した入射荷電粒子が、部材に衝突しやすくなるため、電位の検知感度を向上させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、荷電粒子ビームの加速電圧を変える手段を有することにより、入射荷電粒子が試料に到達したか反転したかを検出することが可能となるため、表面電位を計測することが可能となる。この方式の場合、表面電位は、帯電電荷であっても、導電材料に電位が印加された場合でも適用可能である。

請求項７に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、試料下部に電圧を印加し、表面のバイアスを変化させることで、入射荷電粒子の加速電圧を変化させること無く、表面電位の絶対値を計測することが可能である。電位計測精度が試料下部に印加する電圧値に依存するため、特に帯電電荷を計測する場合に好適である。

請求項８に記載の発明によれば、試料に対して、荷電粒子を照射することで、試料上に帯電電荷を生成させる手段と、露光させるための光学系手段を有することにより、感光体の静電潜像を高分解能に定量測定することが可能となる。

請求項９に記載の発明によれば、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の測定方法または測定装置を用いて、電荷リークの発生を評価することにより、設計にフィードバックすることができ、各工程のプロセスクォリティが向上するため、高画質、高耐久、高安定、省エネルギ化に優れた潜像担持体を提供することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、請求項９の潜像担持体の感光面に対して光走査を行うことにより潜像を形成し、現像して可視化することにより、高密度・高画質・高耐久な画像形成装置を提供することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態において同様な要素には同符号を付記して説明する。また、荷電粒子とは、電子ビームあるいはイオンビームなど電界や磁界の影響を受ける粒子を指すが、以下、電子ビームを照射する実施例で説明する。図１は実施形態の表面電位の測定装置の要部を示す図であり、この表面電位の測定装置は、荷電粒子ビームとして電子ビームを照射する荷電粒子光学系１０、検出部２０及び測定制御部３０で構成されている。なお、荷電粒子光学系１０と検出部２０は同一のチャンバ内に配置され、チャンバ内は真空になっている。

荷電粒子光学系１０は、電子ビームを発生させるための電子銃１１、電子ビームを制御するための、サプレッサ電極及び引き出し電極１２、電子ビームのエネルギーを制御するための加速電圧を印加する加速電極１３、電子銃から発生された電子ビームを集束させるためのコンデンサレンズ（静電レンズ）１４、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦさせるためのビームブランカ１５、電子ビームの照射電流を制御するためのアパーチャ（可動絞り）１６、非点収差を補正するスティグメータ１７、スティグメータを通過した電子ビームを走査させるための走査レンズ（偏向電極）１８、走査レンズ１８を再び集光させるための静電対物レンズ（静電レンズ）１９を備えている。また、ビームブランカ１５とアパーチャ１６との間には仕切り弁（ゲートバルブ）１０ａが配置され、静電対物レンズ１９の下にはビーム射出開口部１０ｂが配置されている。それぞれのレンズ等には、図示しない駆動用電源が接続されている。なお、イオンビームの場合には、電子銃の代わりに液体金属イオン銃などを用いる。

検出部２０は、後述の反転粒子検知部材２１、試料Ｓを載置する試料台２２、一次反転荷電粒子や２次電子などを検出する検出器２３を備えている。検出器２３は、シンチレータ（蛍光体）と光電子倍増管を組み合わせたものである。試料Ｓから発生した２次電子はエネルギーが低いためシンチレータの表面に印加した高電圧の電界の影響で加速され、光に変換される。この光は、ライトパイプを通って光電子倍増管（ＰＭＴ）で電流として増幅され電流信号として取り出される。また、試料台２２は図示しないＸＹ駆動機構により試料Ｓの面と平行な２次元的に移動可能になっている。これにより、電子ビーム試料Ｓ上で走査することにより像が観察できる。

反転粒子検知部材２１は試料Ｓの上面の近傍に配設され、この表面電位を有する試料Ｓに向かって入射する入射電子が、試料Ｓに到達せずに反転した電子（反転粒子、反転電子）を検出するセンサとなっている。このため、この反転粒子検知部材２１は、電子ビームによる走査電子領域の外あるいはその近傍に設定されている（請求項１及び２に対応）。

測定制御部３０はコンピュータ等で構成されており、検出器２３に接続された信号検出部３１、検出信号処理手段３２及び測定結果出力手段３３を備えている。なお、これらの信号検出部３１、検出信号処理手段３２、測定結果出力手段３３は、コンピュータにおける入出力インターフェース、ＣＰＵがプログラムを実行することで得られる演算処理機能等の各種機能、プリンタやディスプレイ等の出力装置により構成される。

ここで、反転粒子検知部材２１の形状を図２に示す。反転粒子検知部材２１は、入射電子が通過する開口部２１ａと、前記検出器２３に到達する電子の一部を遮る遮蔽物（導電部）２１ｂをなす構造からなる。図２(a) のようなホールプレート形状はその一例ある。メッシュは、入射電子あるいは２次電子、反転電子を遮る面積が少ない点で適した形状である（請求項３に対応）。メッシュ形状は、図２(b) のような穴付きグリッドメッシュや、図２(c) のような格子状のグリッドメッシュを用いてもよい。また、メッシュ数は図２(d) のように３以上あっても良く、試料Ｓの複数箇所の表面電位を測定するときに好適である。

メッシュ形状の場合、遮蔽する領域が広いと２次電子でも影が出来やすく、幅が狭いと反射電子発生時の検出感度が低下する。遮蔽する領域は２〜２０％程度が良く、５％程度が好適である。具体的には、メッシュのピッチが１ｍｍであれば、遮蔽する領域の線幅は０．０２〜０．２ｍｍ程度が良く、０．０５ｍｍ程度が好適である。

また、反転粒子検知部材２１の材質は、アルミニウムやりん青銅といった非磁性、ＳＵＳなどの弱磁性材料を用いることにより、入射荷電粒子の軌道に影響を与えることなく、測定することができる。また、導電性材料を用いることにより、材料が帯電することによる電磁場の影響を抑制することができる（請求項４に対応）。また、２次電子放出比が小さい材料であることが望ましい。

また、反転粒子検知部材２１と試料Ｓとのギャップ（間隙）は、近づきすぎると影ができにくいので、０．１ｍｍ以上離すことが望ましい（請求項５に対応）。また、離れすぎると検出感度が低下するので、５ｍｍ以下程度が望ましい。

また、反転粒子検知部材２１の設置場所としては、電子ビームの走査領域のやや外側近傍であると、測定対象物（試料Ｓ）を遮らないので望ましいが、走査領域内に設定しても構わない。グリッドメッシュのピッチや形は、測定対象物や観察倍率によって、適切に使い分けることができる。また、反転粒子検知部材２１に電圧を印加して、入射電子のエネルギや軌道を制御することに用いても良い。

次に、実施形態の測定装置の動作について説明する。試料Ｓの表面電位｜Ｖｓ｜が加速電圧｜Ｖａｃｃ｜よりも小さい（｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｓ｜）場合の構成を図３(a) に示す。反転粒子検知部材２１は図３(b) のようなグリットメッシュであり、開口部２１ａより小さい領域をビーム走査領域とする。図３(a) に示すように、入射電子は試料Ｓに到達し、２次電子が放出される。この放出された２次電子は、検出器２３に引き込み電圧で生じる電界強度により、検出器２３に到達する。このとき、反転粒子検知部材２１に衝突した２次電子は、検出することはできないが、この検出することができない２次電子の、２次電子量全体に占める割合は少ないので、大部分は検出器２３に到達し影ができることは無い。このため、図３(c) のような帯電像を観測することができる。

次に、試料Ｓの表面電位｜Ｖｓ｜が加速電圧｜Ｖａｃｃ｜よりも大きい（｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｓ｜）場合の構成を図４(a) に示す。この場合も、反転粒子検知部材２１は図４(b) のようなグリットメッシュであり、開口部２１ａより小さい領域をビーム走査領域とする。図４(a) に示すように、入射電子は、試料Ｓに到達する前に反転し、検出器２３に引き込み電圧で生じる電界強度により、検出器２３に到達しようとする。この場合は、試料Ｓに到達した場合と異なり、入射電子の軌道は一通りしかないので、反転粒子検知部材２１に衝突した全ての入射電子は、反転粒子検知部材２１に当たってしまい、検出器２３に到達することができない。従って、その位置での検出量は極めて小さくなる。このため、観察像(帯電像)には、反転粒子検知部材２１に当たったところだけ検出せず、暗くなる。これにより、図４(c) のように、グリッドメッシュに当たる部分だけ暗くなる帯電像を観測することができる。暗部の像（イ），（ロ），（ハ），（ニ）は、図４(b) に示すグリッドの（イ），（ロ），（ハ），（ニ）の部分に対応していることになる。

以上のことから分かるように、加速電圧Ｖａｃｃを除々に下げていくと、２次電子像から反転電子像に変わることが計測でき、２次電子像と反転電子像の境界（｜Ｖａｃｃ｜＝｜Ｖｓ｜）を識別することにより試料Ｓの表面電位Ｖｓを計測することができる（請求項６に対応）。また、加速電圧Ｖａｃｃを変えて電位測定する方法は、試料Ｓが導電性材料である場合の表面電位測定に特に有効である。

そして、入射電子の加速電圧Ｖａｃｃのばらつきはフィールドエミッションタイプであればせいぜい数Ｖ以下程度であり、この方法を用いると数百〜数千Ｖで、１ｍｍ以下の領域の電位を数Ｖ以下の精度で高精度に測定することが可能となる。入射電子に対してエネルギフィルタをかけることでさらに高精度に測定することができる。

次に、請求項７に対応する実施形態について説明する。入射電子のエネルギと試料Ｓの表面電位ポテンシャルの関係を変える方法として、試料Ｓの下面に電圧を印加する方法がある。帯電電荷の場合は、試料Ｓの下面の電位を変えることで、試料Ｓの表面の電位をバイアス的に変化させることができる。すなわち、入射電子の加速電圧Ｖａｃｃは固定にして、試料Ｓの下面の印加電圧Ｖｓｕｂを変えていくと実際の表面電位はＶｓ＋Ｖｓｕｂとなる。

具体的には、入射電子の加速電圧がＶａｃｃ＝２ｋＶ、計測対象の帯電電荷による表面電位がＶｓ＝−８００Ｖであるとしたとき、Ｖｓｕｂを０Ｖからマイナス方向に電圧を変えていくと、１：Ｖｓｕｂ＝０〜−１２００Ｖの場合は、２次電子が発生し、図３(c) のような帯電像を生じる。２：Ｖｓｕｂ＜−１２００Ｖの場合には、入射電子が反転して、図４(c) のようなグリッドの影が見えることになる。すなわち、Ｖｓ＝Ｖａｃｃ−Ｖｓｕｂ（但し、加速電圧Ｖａｃｃ＜０と表現した場合）であり、これにより表面電位Ｖｓは、Ｖａｃｃ−Ｖｓｕｂ＝−２０００Ｖ−（−１２００Ｖ）＝−８００Ｖと決定することができる。

計測制御のフローを図５に示す。ステップＳ１で印加電圧条件を指定するインデックスｉを１にし、ステップＳ２で、入射電子の加速電圧Ｖａｃｃと、初期印加電圧Ｖｓｕｂを設定する。そして、ステップＳ３で電子ビームを走査するとともに、ステップＳ４で反転粒子が検出されたかを判定し、検出されなければステップＳ５で印加電圧条件を更新して、ステップＳ３を繰り返す。そして、反転粒子が検出されたらステップＳ６で表面電位Ｖｓを決定し、ステップＳ７で表面電位の計測値とする。なお、反転粒子検知部材２１（グリッドメッシュ）を試料Ｓの表面近傍に配置し、ＧＮＤに接地すると、表面電位による入射電子の曲がりを抑制する効果も出てくる。

次に、請求項８に対応する実施形態について説明する。まず、感光体試料Ｓの構成は、主に図６に示すように、導電性支持体の上に電荷発生層（ＣＧＬ）、電荷輸送層（ＣＴＬ）が形成されてなる。表面に電荷が帯電している状態で露光されると、電荷発生層ＣＧＬの電荷発生材料（ＣＧＭ）によって、光が吸収され、正負両極性のチャージキャリアが発生する。このキャリアは、電界によって、一方は、電荷輸送層ＣＴＬに、他方は導電性支持体に注入される。電荷輸送層ＣＴＬに注入されたキャリアは、電荷輸送層ＣＴＬ中を、電界によって電荷輸送層ＣＴＬの表面にまで移動し、感光体表面の電荷と結合して消滅する。これにより、感光体表面に電荷分布を形成する。すなわち、静電潜像を形成する。そして、このように静電潜像を形成した後、前記同様に、感光体試料Ｓについて表面電荷分布を観測する。

図８は本発明の感光体静電潜像の測定装置の要部を示す図である。この感光体静電潜像の測定装置は、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子光学系１０と、検出部２０と、測定制御部３０及び露光部４０を有しており、この荷電粒子光学系１０、検出部２０及び露光部４０はすべて同一のチャンバ内に配置され、チャンバ内は真空になっている。荷電粒子光学系１０は図示を一部省略してあるが図１のものと略同様であり、その要部を図１と同様の符号を付記して示す。すなわち。電子ビームを発生させるための電子銃１１と、引き出し電極１２と、電子ビームを集束させるためのコンデンサレンズ１４と、アパーチャ１６、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦさせるためのビームブランカ１５と、ビームブランカ１５を通過した電子ビームを走査させるための走査レンズ１８と、走査レンズ１８を通過した電子ビームを再び集光させるための対物レンズ１９とを有している。

露光部４０は、後述のように構成される感光体試料Ｓに関して感度を持つ波長の光源４１、コリーメートレンズ４２、アパーチャ４３、結像レンズ４５，４６，４７などを有してなり、この露光部４０の各光学系は、検出部２０の試料台２２に載置された試料Ｓに、所望のビーム径、ビームプロファイルを生成するように調整されている。上記光源４１としては、ＬＤ（レーザ・ダイオード）などを用いることができる。また、ＬＤ制御部３２１などにより光源４１を制御し、適切な露光時間、露光エネルギーを照射できるようになっている。試料Ｓ上に静電潜像からなるラインのパターンを形成するために、露光部４０の光学系にガルバノミラーやポリゴンミラーを用いたスキャニング機構を付けても良い。

なお、測定制御部は、前記同様な信号検出部３１、検出信号処理手段３２及び測定結果出力手段３３を備えるとともに、ホストコンピュータ３１０、荷電粒子光学系１０を制御する荷電粒子制御部３２０、前記光源４１を制御するＬＥＤ制御部３３０、除電用のＬＥＤを制御するＬＥＤ制御部３４０、試料台２２を駆動する試料台駆動部３５０を備えている。

この感光体静電潜像の測定装置における静電潜像の形成は次のように行う。まず、感光体試料Ｓに電子ビームを照射させることで帯電させる。加速電圧Ｖｂは、２次電子放出比δが１となる加速電圧より高い加速電圧に設定することにより、入射電子量が、放出電子量より上回るため電子が感光体試料Ｓに蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、感光体試料Ｓはマイナスの帯電を生じることができる。加速電圧と照射時間を適切に行うことにより、所望の帯電電位を形成することができる。帯電電位が形成されたら、一旦、電子ビームをＯＦＦにする。 なお、別の帯電手段として、接触帯電や注入帯電及びイオン照射帯電でも良い。

なお、上記露光部４０に変えて図９に示す露光部５０を用いることもできる。この露光部５０は、半導体レーザ５１、コリメートレンズ５２、アパーチャ５３、２つの折り返しミラー５５，５６、集光レンズ５８、除電用ＬＥＤ５９などを備えている。そして、これらの光学系は、検出部２０の試料台２２に載置された試料Ｓに、所望のビーム径、ビームプロファイルを生成するように調整されている。

以上の実施形態における感光体試料Ｓは平面形状である場合について説明したが、曲面であってもよい。すなわち、画像形成装置における潜像担持体として用いる感光体試料Ｓの場合には一般に円筒形状であり、このような円筒形状の場合には、図１０(a) のような構成とすることができる。この感光体静電潜像の測定装置は、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子光学系１０は図８と同様であり、検出部８０内に、反転粒子検知部２１、検出器２３、露光部６０、帯電部７０Ａ及び除電部７０Ｂが配設されている。なお、荷電粒子光学系１０及び検出部８０はすべて同一のチャンバ内に配置され、チャンバ内は真空になっている。

そして、露光部６０としては、図１０(b) に示すように、スキャニング機構を付けることにより、感光体試料Ｓの母線方向に対して、ラインパターンを含めた任意の潜像パターンを形成することもできる。図１０(b) に示す露光部６０は、半導体レーザ６１、コリメートレンズ６２、シリンダレンズ６３、２つの折り返しミラー６４，６５、ポリゴミラー６６、及び２つの走査レンズ６７，６８などを備えている。半導体レーザ６１から出射された露光用のレーザ光はコリメートレンズ６２で略平行にされ、このレーザビームはシリンダレンズ６３により整形されるとともに、折り返しミラー６４でポリゴンミラー６６に向けられる。ポリゴンミラー６６は入射するレーザー光を所定角度範囲で等角速度的に偏向して走査レンズ６７，６８に向けて照射する。走査レンズ６７，６８はポリゴンミラー６６で偏向されたレーザ光を等速度的なビームに変換し、このビームは折り返しミラー６５を介して感光体試料Ｓの母線に沿って照射される。これにより、この感光体試料Ｓの母線方向に対してラインパターンを含めた任意の潜像パターンを形成することができる。

感光体試料Ｓの表面に電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。このため、入射電子によって、発生した２次電子はこの電界によって押し戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、電荷リーク箇所は、露光部が黒、非露光部が白となり、表面電荷分布に応じたコントラスト像を測定することができる。

次に、電位分布の測定原理について説明する。図７(a) は、検出器２３に対応する荷電粒子捕獲器２４と、試料ＳＰとの間の空間における電位分布を、等高線表示で説明図的に示したものである。試料ＳＰの表面は、光減衰により電位が減衰した部分を除いては負極性に一様に帯電した状態であり、荷電粒子捕獲器２４には正極性の電位が与えられているから、「実線で示す電位等高線群」においては、試料ＳＰの表面から荷電粒子捕獲器２４に近づくに従い「電位が高く」なる。従って、試料ＳＰにおける「負極性に均一帯電している部分」である図のＱ１点やＱ２点で発生した２次電子ｅｌ１、ｅｌ２は、荷電粒子捕獲器２４の正電位に引かれ、矢印Ｇ１や矢印Ｇ２で示すように変位し、荷電粒子捕獲器２４に捕獲される。

一方、図７(a) において、Ｑ３点は「光照射されて負電位が減衰した部分」であり、Ｑ３点近傍では電位等高線の配列は「破線で示す如く」であり、この部分電位分布では「Ｑ３点に近いほど電位が高く」なっている。換言すると、Ｑ３点の近傍で発生した２次電子ｅｌ３には、矢印Ｇ３で示すように、試料ＳＰ側に拘束する電気力が作用する。このため２次電子ｅｌ３は、破線の電位等高線の示す「ポテンシャルの穴」に捕獲され、荷電粒子捕獲器２４に向って移動しない。図７(b) は、上記「ポテンシャルの穴」を模式的に示している。

即ち、荷電粒子捕獲器２４により検出される２次電子の強度（２次電子数）は、強度の大きい部分が「静電潜像の地の部分（均一に負帯電している部分 図７(a) の点Ｑ１やＱ２に代表される部分）」に対応し、強度の小さい部分が「静電潜像の画像部（光照射された部分 図７(a) の点Ｑ３に代表される部分）」に対応することになる。従って、２次電子検出部で得られる電気信号を、信号処理部で適当なサンプリング時間でサンプリングすれば、前述の如く、サンプリング時刻：Ｔをパラメータとして、表面電位分布：Ｖ（Ｘ、Ｙ）を「サンプリングに対応した微小領域」ごとに特定でき、信号処理部により上記表面電位分布：Ｖ（Ｘ、Ｙ）を２次元的な画像データとして構成し、これをアウトプット装置で出力すれば、静電潜像が可視的な画像として得られる。

例えば、捕獲される２次電子の強度を「明るさの強弱で表現」すれば、静電潜像の画像部分は暗く、地の部分は明るくコントラストがつき、表面電荷分布に応じた明暗像として表現（出力）することができる。勿論、表面電位分布が知れれば、表面電荷分布も知ることができる。なお、実際に試料ＳＰに投影される静電潜像は微小であるが、アウトプット装置から出力される画像は「観察に適した大きさ」に適宜に拡大できる。

具体例として、図１１(a) に試料表面の電荷分布によって生じた表面電位分布Ｖｓ(x) を示す。ここで、Ｖｓ(x) は、便宜上電荷分布を有する誘電体試料の反対面が接地（ＧＮＤ）状態での表面の電位分布を指すことにする。中心電位から外側に向かうに従って、電位がマイナス方向に大きくなっている。図１１(b) ，(c) は試料を二次元的に走査したときの検出信号を指す。白い部分は検出量が大きく、黒い部分は検出量が少ないことを表す。

ここで、Ｖｔｈ＝Ｖａｃｃ−Ｖｓｕｂとする。Ｖａｃｃ＝−１．８ｋＶとすると、電子の加速電圧Ｖｓｕｂ＝−１２００Ｖの場合には、図１１(b) のような測定結果となり、検出信号量に差のある白部と黒部の境界は、Ｖｓ(x) ＝−６００Ｖをスレッシュレベル電位とする等高線であり、このコントラスト像をＶｔｈ＝−６００Ｖのコントラスト像と表現する。Ｖｓｂ＝−１０５０Ｖのときは、Ｖｓｕｂ＝−１２００Ｖに比べて入射電子のエネルギが高い分、試料に到達する可能性が高くなり、入射電子の速度が反転する領域が減り黒い部分が増えてくる。このためＶｔｈ＝−７５０Ｖのコントラスト像を得ることができる。

周辺の静電場環境や電子軌道をあらかじめ計算しておき、それをもとに補正することで、さらに潜像電位測定精度は向上することができる。このように、入射電子の加速電圧あるいは、試料下部に印加する電圧を変えながら、明暗のコントラスト像を検出することにより、潜像プロファイルを測定することが可能となる。そして、前述の方法で露光前の帯電電位を測定することにより、感光体の静電潜像の電位分布を測定することが可能となる。

次に、請求項９に対応する実施形態について説明する。請求項２〜８の構成を用いることにより、試料が静電破壊を起こしているか、どこで発生しているかどうかを特定することができる。しいては耐絶縁性を評価することができる。特に、誘電体の中でも感光体などの潜像担持体を評価することに好適であり、評価結果を設計にフィードバックすることにより、高耐久な感光体を提供することができる。

まず、感光体試料に電子ビームを照射させる。加速電圧Ｅ１は、２次電子放出比δが１となる加速電圧Ｅ０より高い加速電圧に設定することにより、入射電子量が、放出電子量より上回るため電子が感光体試料に蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、感光体試料はマイナスの一様帯電を生じることができる。加速電圧と照射時間を適切に行うことにより、所望の帯電電位を形成することができる。

このように帯電させることで、感光体試料の厚さ方向に対して電界強度を与えることができる。高耐久な感光体は、耐絶縁性が感光体試料の厚さ方向にかかる電界強度で１０Ｖ／μｍ以上が望ましい。これを確認するためには、本発明を用いることにより、感光体試料の厚さ方向にかかる電界強度を１０Ｖ／μｍあるいはそれ以上に相当する帯電電位を与えて、電荷リークの発生の有無を評価することによって実現できる。このとき、トナーの大きさは小さくても５μｍ程度であるため、それ以下の大きさの電荷リークは無視してよい。５μｍ以上の電荷リークの発生が無ければ、電荷リークの発生は無いと考えてよい。このように、本発明により、表面電位を正確に計測することが可能となるため、感光体試料の耐絶縁性を評価することが可能となる。

次に、請求項１０に対応する実施形態について説明する。図１２は実施形態の画像形成装置１００の要部構成を示す図であり、一実施形態としてレーザプリンタの例を示す。この画像形成装置１００は潜像担持体１１１として「円筒状に形成された光導電性の感光体（感光ドラム）」を有している。この潜像担持体１１１は感光体試料Ｓとして前述のように耐絶縁性を評価したものであり、このときに、該潜潜像担持体１１１（試料）の厚さ方向にかかる電界強度が１０Ｖ／μｍ以下では、５μｍ以上の大きさの電荷リークの発生がないものである。

潜像担持体１１１の周囲には、帯電手段としての帯電ローラ１１２、現像装置１１３、転写ローラ１１４、クリーニング装置１１５が配備されている。この実施の形態では「帯電手段」として、オゾン発生の少ない接触式の帯電ローラ１１２を用いているが、コロナ放電を利用するコロナチャージャを帯電手段として用いることもできる。また、光走査装置１１７が設けられ、帯電ローラ１１２と現像装置１１３との間で「レーザビームＬＢの光走査による露光」を行うようになっている。図１２において、符号１１６は定着装置、符号１１８はカセット、符号１１９はレジストローラ対、符号１２０は給紙コロ、符号１２１は搬送路、符号１２２は排紙ローラ対、符号１２３はトレイを示している。

画像形成を行うときは、光導電性の感光体である潜像担持体１１１が時計回りに等速回転され、その表面が帯電ローラ１１２により均一に帯電され、光走査装置１１７のレーザビームＬＢによる光書込による露光により静電潜像が形成される。形成された静電潜像は所謂「ネガ潜像」であって画像部が露光されている。この静電潜像は現像装置１１３により反転現像され、潜像担持体１１１上にトナー画像が形成される。転写紙を収納したカセット１１８は画像形成装置１００本体に着脱可能で、図のごとく装着された状態において、収納された転写紙の最上位の１枚が給紙コロ１２０により給紙される。給紙された転写紙は、その先端部をレジストローラ対１１９に銜えられる。レジストローラ対１１９は、潜像担持体１１１上のトナー画像が転写位置へ移動するのにタイミングをあわせて転写紙を転写部へ送りこむ。送りこまれた転写紙は、転写部においてトナー画像と重ね合わせられ、転写ローラ１１４の作用によりトナー画像を静電転写される。トナー画像を転写された転写紙は定着装置１１６でトナー画像を定着されたのち、搬送路１２１を通り、排紙ローラ対１２２によりトレイ１２３上に排出される。トナー画像が転写されたのち、潜像担持体１１１の表面はクリーニング装置１１５によりクリーニングされ、残留トナーや紙粉等が除去される。このように、本発明による非常に望ましい潜像担持体を用いることにより、解像力に優れて高精彩、かつ高耐久で信頼性の高い画像形成装置を製作することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、上記各実施形態の中で示唆した以外にも、上記各実施形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記各実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

本発明の実施形態の表面電位の測定装置の要部を示す図である。 本発明の実施形態における反転粒子検知部材の例を示す図である。 本発明の実施形態における試料の表面電位が加速電圧よりも小さい場合の表面電位の測定装置の動作を説明する図である。 本発明の実施形態における試料の表面電位が加速電圧よりも大きい場合の表面電位の測定装置の動作を説明する図である。 本発明の実施形態における計測制御のフローチャートである。 本発明の実施形態における感光体試料の構成及び作用を説明する図である。 本発明の実施形態における電位分布の測定原理を説明する図である。 本発明の実施形態における感光体静電潜像の測定装置の要部を示す図である。 本発明の実施形態における露光部の他の例を示す図である。 本発明の実施形態における円筒形状の潜像担持体を用いた感光体静電潜像の測定装置の要部及び露光部の一例を示す図である。 本発明の実施形態における試料表面の電位分布状態と試料を二次元的に走査したときの検出信号強度の関係を示す図である。 本発明の実施形態を示す画像形成装置の模式図である。

符号の説明

１０ 荷電粒子光学系
２０ 検出部
２１ 反転粒子検知部材
２２ 試料台
２３ 検出器
３０ 測定制御部
４０，５０，６０ 露光部
１００ 画像形成装置
１１１ 潜像担持体
Ｓ 感光体試料

Claims (10)

1. 表面電位分布を有する試料に対して、荷電粒子ビームを走査し、該走査によって得られる検出信号により、試料の表面電位分布の状態を測定する表面電位分布の測定方法において、
   入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転する軌道上に反転粒子検知部材を配置し、入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転している時は、反転粒子検知部材に衝突させることで、入射荷電粒子が検出器に到達することを妨げて検出量を減少する構成とすることにより、前記走査によって得られる観察像の中に、反転粒子検知部材に起因して暗くなる部分を作り出し、前記暗くなる部分の確認により、
   前記荷電粒子ビームが、前記試料に到達せずに反転している状態であることを検知することで、該試料の表面電位を測定することを特徴とする表面電位分布の測定方法。
2. 試料に対して、荷電粒子ビームを走査する手段と、該走査によって得られる荷電粒子の信号を検出する手段と、試料の電荷分布の状態を測定する手段と、
   を備え、
   前記入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転する軌道上に配置された反転粒子検知部材
   を有し、
   入射荷電粒子ビームが試料に到達せず反転している時は、反転粒子検知部材に衝突させることで、入射荷電粒子が検出器に到達することを妨げて検出量を減少する構成とすることにより、前記走査によって得られる観察像の中に、反転粒子検知部材に起因して暗くなる部分を作り出し、
   前記荷電粒子ビームが、前記試料に到達せずに反転している状態であることを前記暗くなる部分を確認できるようにして検知することで、該試料の表面電位を測定することを特徴とする表面電位の測定装置。
3. 前記反転粒子を検知する反転粒子検知部材は、メッシュ状であることを特徴とする請求項２に記載の表面電位の測定装置。
4. 前記メッシュ状の反転粒子検知部材は、非磁性の導電性材料であることを特徴とする請求項３に記載の表面電位の測定装置。
5. 前記反転粒子を検知する反転粒子検知部材を、前記試料面に対して０．１ｍｍ以上上方に配置することを特徴とする請求項２に記載の表面電位の測定装置。
6. 前記荷電粒子ビームの加速電圧を変える手段を有することを特徴とする請求項２に記載の表面電位の測定装置。
7. 表面電位のバイアスを変化させる手段を有することを特徴とする請求項２に記載の表面電位の測定装置。
8. 請求項２乃至７のいずれか一項に記載の表面電位の測定装置と、
   試料に対して、荷電粒子を照射することで、該試料上に帯電電荷を生成させる手段と、
   該試料上に露光して静電潜像を形成するための光学系手段と、
   を備え、
   試料面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、試料面の静電潜像分布を測定することを特徴とする感光体静電潜像の測定装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の測定方法または測定装置を用いて、潜像担持体の耐絶縁性を評価したときに、試料の厚さ方向にかかる電界強度が１０Ｖ／μｍ以下では、５μｍ以上の大きさの電荷リークの発生がないことを特徴とする潜像担持体。
10. 請求項９に記載の潜像担持体を用い、該潜像担持体の感光面に対して光走査を行うことにより潜像を形成し、現像して可視化することを特徴とする画像形成装置。

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