(57)【要約】      （修正有）【課題】使用環境に対する耐性が高く、安定かつ高効率な電子放出特性を有する電子放出素子を提供することを目的とする。また、本発明は、被帯電体のハザードを抑制することが可能な帯電装置並びに該帯電装置を有する画像形成装置及びプロセスカートリッジを提供する。【解決手段】電子放出素子は、所定の電圧が印加されると電子を放出し、窒化物半導体を有する。帯電装置は、被帯電体を帯電させ、上記の電子放出素子及び電子放出素子に電圧を印加する電圧印加手段を少なくとも有する。【選択図】図１
2008096922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電圧が印加されると電子を放出する電子放出素子であって、
窒化物半導体を少なくとも有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
導電材料上に厚さ２０μｍ以下の前記窒化物半導体からなる膜を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム又は窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
被帯電体を帯電させる帯電装置であって、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子放出素子及び該電子放出素子に電圧を印加する電圧印加手段を少なくとも有することを特徴とする帯電装置。
【請求項５】
前記電圧印加手段を用いて前記電子放出素子に電圧を印加することにより放出された電子又は該電子が大気中の分子に付着することにより生成したイオンを用いて、前記被帯電体を帯電させることを特徴とする請求項４に記載の帯電装置。
【請求項６】
複数の前記電子放出素子を有し、
前記電圧印加手段は、該複数の電子放出素子に対して、それぞれ独立に電圧を印加することにより前記被帯電体に複数の帯電領域を形成することを特徴とする請求項４又は５に記載の帯電装置。
【請求項７】
前記電圧印加手段は、前記複数の帯電領域のそれぞれの帯電量が略同一になるように前記複数の電子放出素子に電圧を印加することを特徴とする請求項６に記載の帯電装置。
【請求項８】
前記電子放出素子と前記被帯電体の対向する表面間の電位差は、空隙破壊電圧以下であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の帯電装置。
【請求項９】
前記電圧印加手段が前記電子放出素子に印加する電圧と、前記電子放出素子と対向する前記被帯電体の表面電位の差の絶対値は、３００Ｖ以下であることを特徴とする請求項８に記載の帯電装置。
【請求項１０】
前記電子放出素子と前記被帯電体の間隔は、２０μｍ以上であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一項に記載の帯電装置。
【請求項１１】
前記電子放出素子と前記被帯電体の間に、前記被帯電体の電位を制御する導電性部材をさらに有することを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか一項に記載の帯電装置。
【請求項１２】
請求項４乃至１１のいずれか一項に記載の帯電装置及び像担持体を少なくとも有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１３】
請求項４乃至１１のいずれか一項に記載の帯電装置及び像担持体を少なくとも有し、
画像形成装置本体に着脱自在であることを特徴とするプロセスカートリッジ。
【請求項１４】
カラー画像を形成する画像形成装置であって、
請求項１３に記載のプロセスカートリッジを複数有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子、帯電装置、画像形成装置及びプロセスカートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、プリンタ／ファックス／複写機複合機等の各種画像形成装置として、電子写真プロセスを用いる画像形成装置が知られている。この電子写真プロセスにおいて、像担持体としての感光体に静電潜像を形成するために、感光体を一様に帯電させる帯電装置としては、コロナ帯電方式を利用するものが多い。このような帯電装置は、直径が５０〜２００μｍ程度の白金やタングステンのワイヤー電極又はステンレス材料等の針状電極の周囲に、導電性のケース電極が設けられている。このワイヤー電極又は針状電極とケース電極の間に、直流又は交流の電圧を印加することにより、電極周辺の大気中の分子が電離してイオンが生成し、このイオンを用いて、感光体を帯電させる。これにより、遠距離からの均一な帯電が可能である。しかしながら、コロナ帯電方式は、コロナ放電により、大気中の分子を電離（イオン化）させるため、オゾン、窒素酸化物等が生成し、その生成量は、オゾン、窒素酸化物ともに、６０分間の帯電で、４〜１０ｐｐｍにも上ることが知られている。
【０００３】
オゾンは、高濃度で画像形成装置内に滞留すると、感光体の表面を酸化し、感光体の光感度の低下や帯電能の劣化を生じさせ、画像が悪化することが知られている（非特許文献１）。また、感光体以外の部材の劣化が促進され、部品の寿命が低下すること等の不具合も生じる。
【０００４】
また、窒素酸化物は、以下のような不具合が生じる。すなわち、窒素酸化物は、空気中の水分と反応して硝酸が生成し、また、金属等と反応して硝酸塩が生成する。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。このため、感光体の表面に硝酸又は硝酸塩による薄膜が形成されると、画像が流れたような異常画像が発生する。これは、硝酸又は硝酸塩が吸湿することで低抵抗となり、感光体の表面の静電潜像が壊れるためである。さらに、窒素酸化物は、コロナ放電後も分解されずに空気中に留まるため、窒素酸化物から生成された化合物の感光体の表面への付着は、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することから、感光体の劣化の一因となっている。この場合、感光体の表面の付着物は、クリーニング時に感光体を少しずつ削り取ることにより除去する方法が用いられているが、コストの上昇や経時的な劣化を生じるという新たな問題を伴っている。
【０００５】
また、コロナ帯電方式では、印加電圧が高電圧（４〜１０ｋＶ）となる他、帯電電位が帯電時間によって変わるため、必要な帯電電位（４００〜１０００Ｖ）を得るためには、感光体の搬送速度が大きい場合には、ケース電極の感光体の搬送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の小型化が難しくなる。
【０００６】
一方、帯電装置としては、近接ローラ帯電方式を利用するものも広く使用されている。近接ローラ帯電方式は、感光体の近傍に保持した帯電ローラと感光体の間に、直流又は交流の電圧を印加し、両者の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。この帯電方式では、パッシェンの法則に則った帯電現象を利用しており、所望の帯電電位に放電開始電圧を加えた電位差を形成することで、所望の帯電電位が得られる。また、帯電ローラと感光体の間に交流電圧を印加する場合は、帯電ローラと感光体の間で電界の向きが時間と共に交互に変化し、放電、逆放電が繰り返されることにより帯電がならされ、より均一な帯電が得られる。しかしながら、大気放電によって生成される高酸化活性種によって感光体が酸化を受けるという問題がある。
【０００７】
このように、感光体の帯電は、何らかのパッシェン放電を伴う帯電装置を用いて行われているため、放電による生成物が感光体の表面に付着したり、放電によって生じた活性種によって感光体の表面が酸化されたりするハザードが避けられない。このため、現在、経時的な画質の劣化を低減して画質を維持するために、上述したように感光体の表面を微小に削りながら使用されている。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。
【０００８】
さらに、帯電装置としては、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方式を利用するものが知られている。これは、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である。接触帯電方式は、コロナ帯電方式に比べると、オゾンの発生量、例えば、直流電圧印加時の６０分間の帯電によるオゾン発生量が０．０１ｐｐｍ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、電気絶縁の設計が行いやすいこと等の利点を有する。
【０００９】
接触帯電方式としては、特許文献１〜６に記載されているように、その接触又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知られている。これらの場合に、放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がある。また、特許文献７に記載されているように、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方法があり、帯電均一化を一層促進することができる。交流電圧を印加すると、帯電部材と感光体の間で電界の向きが時間と共に交互に変化し、放電、逆放電が繰り返されるため、帯電がならされ、より均一な帯電が得られる利点がある。しかしながら、放電量が増えるため、オゾン、窒素酸化物の発生量も多くなり、交流電圧の印加条件によっては、６０分間の帯電により、コロナ帯電方式に近い３ｐｐｍのオゾンが発生することもある。
【００１０】
また、特許文献８に記載されているように、電圧を印加した導電性部材を感光体に接触させ、感光体の表面にあるトラップ準位に電荷を注入して帯電する方法もある。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、吸水しやすいため、環境の変化に伴う電気抵抗の変動が大きい。さらに、ゴムは、弾性を発揮させるためや劣化を防止するために、数種の可塑剤や界面活性剤を必要とする。また、導電性顔料を分散させるために、分散補助剤を用いることも少なくない。このとき、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、可塑剤や、界面活性剤及び分散補助剤に弱いという問題がある。
【００１１】
また、接触帯電方式では、帯電部材と感光体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こと、直接感光体にローラが触れるために、長期間使用した場合に感光体が汚染され、横スジ等の画像不良を生じるという問題もある。
【００１２】
そこで、これらに代わる帯電装置として、電子放出材料を用いた帯電方式を利用するものが着目されている。特許文献９には、絶縁層と半導体材料層、もしくは絶縁層と金属材料層よりなる電子放出層が、基板電極および薄膜電極とにより挟み込まれた構成を有する、所謂ＭＩＳ型、ＭＩＭ型の電子放出素子を用いたものが記載されている。特許文献１０には、先端部分に金属または合金（ａ）、あるいは金属を含む窒化物、炭化物、ケイ化物またはホウ化物の少なくとも１種（ｂ）で被覆されたカーボンナノチューブを構成要素として有する電子放出素子を用いたものが記載されている。特許文献１１には、石英、ガラス、セラミックス、金属、シリコン基板などによって構成される支持体と、支持体の片面上に金属または合金を成膜することにより形成されたエミッタ電極と、エミッタ電極上に所定の間隔で設置された複数のアルミニウム膜を硫酸、過塩素酸などの酸中で陽極化することにより形成された複数の陽極化膜と、複数の陽極化膜の各陽極化膜間に形成され、エミッタ電極と反対側に開口部を有する細孔と、複数の陽極化膜の各陽極化膜間に形成された細孔内に底面がエミッタ電極に接するように設置され、電子を電界放出するカーボンナノチューブと、細孔の開口部を被覆する引き出し電極と、を備え、カーボンナノチューブは、エミッタ電極と陽極酸化膜と引き出し電極とに囲まれている電子放出装置を用いたものが記載されている。特許文献１２には、上部電極と下部電極との間に半導体層が形成されている電子放出素子であって、半導体層の半導体表面に有機化合物を吸着させて有機化合物吸着層を形成させる電子放出素子を用いたものが記載されている。
【００１３】
電子放出素子を用いるものの中でも、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。例えば、特許文献１０には、カーボンナノチューブ先端部分の構成要素を規定することで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ことが記載されている。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よう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が酸化されるため、構造的に非常に弱く、所望の寿命を達成できないことがあるという問題がある。また、特許文献９、１２に記載のＭＩＳ型、ＭＩＭ型の電子放出素子を用いた場合、十分な電子放出性が得られないという問題がある。
【非特許文献１】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
【特許文献１】特開昭５７−１７８２５７号公報
【特許文献２】特開昭５６−１０４３５１号公報
【特許文献３】特開昭５８−４０５６６号公報
【特許文献４】特開昭５８−１３９１５６号公報
【特許文献５】特開昭５８−１５０９７５号公報
【特許文献６】特開昭６３−７３８０号公報
【特許文献７】特開昭６３−１４９６６９号公報
【特許文献８】特開平８−１０６２００号公報
【特許文献９】特開２００３−１４５８２６号公報
【特許文献１０】特開２００１−２５０４６７号公報
【特許文献１１】特開２００２−２７９８８５号公報
【特許文献１２】特開２００４−３２７０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、使用環境に対する耐性が高く、安定かつ高効率な電子放出特性を有する電子放出素子を提供することを目的とする。また、本発明は、被帯電体のハザードを抑制することが可能な帯電装置並びに該帯電装置を有する画像形成装置及びプロセスカートリッジを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、所定の電圧が印加されると電子を放出する電子放出素子であって、窒化物半導体を少なくとも有することを特徴とする。これにより、使用環境に対する耐性が高く、安定かつ高効率な電子放出特性を有する電子放出素子を提供することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子放出素子において、導電材料上に厚さ２０μｍ以下の前記窒化物半導体からなる膜を有することを特徴とする。これにより、窒化物半導体の成膜時間を短縮することができ、電子放出特性を維持しつつ、製造コストを低減することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電子放出素子において、前記窒化物半導体は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム又は窒化ホウ素であることを特徴とする。これにより、使用環境に対する耐性が高く、安定かつ高効率な電子放出特性を有する電子放出素子が得られる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、被帯電体を帯電させる帯電装置であって、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子放出素子及び該電子放出素子に電圧を印加する電圧印加手段を少なくとも有することを特徴とする。これにより、被帯電体のハザードを抑制することが可能な帯電装置を提供することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の帯電装置において、前記電圧印加手段を用いて前記電子放出素子に電圧を印加することにより放出された電子又は該電子が大気中の分子に付着することにより生成したイオンを用いて、前記被帯電体を帯電させることを特徴とする。これにより、被帯電体を帯電させる際に印加する電圧を低減し、オゾン、ＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の帯電装置において、複数の前記電子放出素子を有し、前記電圧印加手段は、該複数の電子放出素子に対して、それぞれ独立に電圧を印加することにより前記被帯電体に複数の帯電領域を形成することを特徴とする。これにより、被帯電体を１ドット単位で帯電／非帯電することができ、静電潜像を直接像担持体上に形成することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の帯電装置において、前記電圧印加手段は、前記複数の帯電領域のそれぞれの帯電量が略同一になるように前記複数の電子放出素子に電圧を印加することを特徴とする。これにより、像担持体に電位の揃った高精細な静電潜像を形成することができ、高画質な画像が得られる。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記電子放出素子と前記被帯電体の対向する表面間の電位差は、空隙破壊電圧以下であることを特徴とする。これにより、大気中の放電を介さずに、被帯電体を帯電させることができ、帯電電位の制御性が良くなり、電子放出材料の寿命を向上させることができる。なお、対向する表面とは、両表面の間に空隙のみが存在する状態を意味する。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の帯電装置において、前記電圧印加手段が前記電子放出素子に印加する電圧と、前記電子放出素子と対向する前記被帯電体の表面電位の差の絶対値は、３００Ｖ以下であることを特徴とする。これにより、パッシェン放電を抑制し、帯電電位の制御性が良くなると共に、電子放出材料の寿命を向上させることができる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項４乃至９のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記電子放出素子と前記被帯電体の間隔は、２０μｍ以上であることを特徴とする。これにより、像担持体の振れのスペース、キャリアの直径以上のギャップを予め確保し、電子放出素子への異物や像担持体の衝突による傷を抑制することができる。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、請求項４乃至１０のいずれか一項に記載の帯電装置において、前記電子放出素子と前記被帯電体の間に、前記被帯電体の電位を制御する導電性部材をさらに有することを特徴とする。これにより、遠距離から像担持体を帯電させることができ、トナー等による汚れを抑制することができると共に、帯電電位を安定化させることができ、電子放出素子への異物や像担持体の衝突による傷を抑制することができる。
【００２６】
請求項１２に記載の発明は、画像形成装置において、請求項４乃至１１のいずれか一項に記載の帯電装置及び像担持体を少なくとも有することを特徴とする。これにより、像担持体の寿命を向上させることができる。
【００２７】
請求項１３に記載の発明は、プロセスカートリッジにおいて、請求項４乃至１１のいずれか一項に記載の帯電装置及び像担持体を少なくとも有し、画像形成装置本体に着脱自在であることを特徴とする。これにより、メンテナンス性を向上させ、他の装置との一体交換を容易に行うことができる。
【００２８】
請求項１４に記載の発明は、カラー画像を形成する画像形成装置であって、請求項１３に記載のプロセスカートリッジを複数有することを特徴とする。これにより、プロセスカートリッジの交換が容易であり、小型で高耐久のカラー画像形成装置が得られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、使用環境に対する耐性が高く、安定かつ高効率な電子放出特性を有する電子放出素子を提供することができる。また、本発明によれば、被帯電体のハザードを抑制することが可能な帯電装置並びに該帯電装置を有する画像形成装置及びプロセスカートリッジを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。
【００３１】
図１及び図２に、本発明の電子放出素子の一例を示す。ここで、図１（ａ）及び図２（ａ）は、斜視図、図１（ｂ）及び図２（ｂ）は、断面図を示す。
【００３２】
電子放出素子１０は、板状の導電材料１１上に、窒化物半導体の薄膜１２を形成したものである。また、電子放出素子２０は、棒状の導電材料２１上に、窒化物半導体の薄膜２２を形成したものである。導電材料２１上に窒化物半導体を固定する際には、窒化物半導体の粉体を固定してもよい。
【００３３】
電子放出素子１０及び２０は、導電材料１１及び２１に対して、電源（不図示）を用いて所定の電圧を印加すると、電子を放出する。このとき、導電材料１１及び２１は、基板としてだけでなく、電極としても機能している。このため、基板上に、電極を設ける工程を省略することができ、低コストで電子放出素子を作製することができる。導電材料１１及び２１の形状は、それぞれ板状及び棒状であるが、形状は、特に限定されるものではない。また、導電材料１１及び２１は、導電性と共に、ある程度の剛性を有し、製造時のプロセス温度、特に、窒化物半導体の薄膜１２及び２２の成膜温度に耐えることができれば、使用可能である。具体的には、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ等が使用可能である。
【００３４】
なお、電子放出素子１０及び２０から放出された電子は、Ｏ２、ＣＯ２、Ｎ２等の気体分子又はこれらに水が付着した分子に付着すると、負イオンが発生する。本発明においては、このような負イオン又は電子放出素子１０及び２０から放出された電子を用いて、被帯電体を帯電させることができる。
【００３５】
ここで、本発明の電子放出素子を用いて帯電させる場合のオゾン及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減について説明する。一般に、コロナ放電を用いて帯電させる場合は、非常に多くのオゾンや窒素酸化物が生じる。これは、コロナワイヤーから放出された電子のエネルギーが３０ｅＶ以上であるので、電子との衝突により、Ｏ２、Ｎ２等の気体分子が解離して反応する結果、オゾンや窒素酸化物が発生するためである。実際、電子衝突によるＮ２の解離エネルギーが２４．３ｅＶであり、電子衝突によるＯ２の解離エネルギーが８ｅＶである。これに対して、電子放出素子１０及び２０の場合、放出された電子のエネルギーは、６ｅＶ程度であり、電子との衝突による気体分子の解離が起こりにくく、窒素酸化物やオゾンの発生を抑制することができる。これにより、これらの生成物が感光体等の被帯電体の表面に付着したり、放電により生じた活性な気体が被帯電体の表面を酸化して劣化させたりするハザードを抑制することができると共に、電子放出材料も酸化による燃焼等の劣化が起こりにくくなる。その結果、長期に亘って安定した帯電を行うことができる。また、短時間の低電圧動作で、被帯電体を十分に帯電させることができ、さらに、非接触帯電方式のため、転写残トナーの付着による電子放出素子の劣化も生じにくくなる。
【００３６】
本発明において、電子放出材料の電子の放出のしやすさは、
（１）表面での電子親和力が小さいこと。
（２）電子放出部位での電界集中が起こりやすい形状であること。
が主に関わっていると考えられる。また、（１）の電子親和力に関しては、さらに、
（ａ）バンドギャップが大きいこと（伝導帯の底が真空準位に近いことを意味する）。
（ｂ）表面に双極子モーメントの大きな結合が存在すること（具体的には、Ｃ−Ｈ結合やＮ−Ｈ結合が表面に存在することであり、効果は、Ｎ−Ｈ結合の方が大きいと推定できる）。に分解できる。このような観点から好ましい電子放出材料としては、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド等が知られている。しかしながら、これらの材料は、高真空下でしか安定に動作しないため、その応用分野が限定されている。
【００３７】
そこで、低真空下、さらには、大気圧下で安定に動作する電子放出材料を志向すると、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド等の電子放出材料の劣化機構が材料探索の重要な指針となる。その劣化機構は、以下の３つである。
（Ａ）動作雰囲気が低真空の場合、残留する酸素、酸素発生源となる水分等の作用により電子放出材料が酸化され、消失すること。
（Ｂ）電子放出点に電界が集中するために、高温かつ強い応力が発生し、電子放出材料が熱的或いは機械的に欠落すること。
（Ｃ）電子放出により生成したイオンが電子放出材料の先端をスパッタし、電子放出材料が物理的に消失すること。
【００３８】
上記劣化機構に対する耐性を窒化物半導体について検討したところ、（Ｂ）に対しては、材料の堅牢性が要求されるが、窒化物半導体は、他のＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体に比べてＩＩＩ族原子とＮ元素の結合長さが短く、結合力が強いために、化学的、機械的及び熱的に堅牢であり、放射線に対しても強い耐性を示す。結合力の強さの目安として、生成エネルギーを列挙すると、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）：−７６．１ｋｃａｌ／ｍｏｌ
窒化ガリウム（ＧａＮ）：−２６．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ
窒化ホウ素（ＢＮ）：−６０．３ｋｃａｌ／ｍｏｌ
であるため、大気圧下での安定性が期待され、実際に、図１及び図２に示す電子放出素子で安定に動作する。また、（Ａ）及び（Ｃ）の代用特性としては、所定条件下でのドライエッチング速度を適用することができる。ドライエッチング速度は、通常のＲＦ平行平板型ドライエッチャーを用いて測定することができ、エッチング条件
ガス種：ＣＦ４／Ｏ２（体積比４：１）
ガス流量：２０ＳＣＣＭ
ガス圧：０．０５Ｔｏｒｒ
ＲＦパワー密度：０．６Ｗ／ｃｍ２
で測定されたドライエッチング速度を列挙すると、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）：６２．５Ａ／分
窒化ガリウム（ＧａＮ）：１７０Ａ／分
窒化ホウ素（ＢＮ）：８０．０Ａ／分
である。一方、カーボンナノチューブ及びダイヤモンドの代用としての、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）膜のドライエッチング速度は、２００Ａ／分である。このことから、ＣＦ４／Ｏ２ガスに対するドライエッチング速度が小さいことが大気圧下での安定動作に対応していることがわかる。
【００３９】
以上のような理由から、本発明においては、電子放出材料として、材料の安定性の観点から、結合力が強く、化学的、機械的、熱的に堅牢であり、また、電子放出の効率の面から、バンドギャップが大きい窒化物半導体を用いる。具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化ホウ素（ＢＮ）が挙げられ、バンドギャップは、それぞれ６．２ｅＶ、３．４ｅＶ及び６．０ｅＶである。さらに、これらの窒化物半導体は、表面にＮ−Ｈ結合が存在することから、電子を放出しやすく、低真空下や大気圧下での電界放出が可能である。
【００４０】
本発明において、ＡｌＮの製法は、基本的には、気相成膜法であり、励起状態のＡｌとＮを反応させ、薄膜として作製する。励起状態を得る手段としては、熱エネルギーを利用するもの、プラズマ状態を利用するもの、光エネルギーを利用するもの等が挙げられる。中でも、原子状Ａｌのビームと、Ｎ２ガス又はＮＨ３ガスを電磁波で励起又は分解した原子状又は分子状Ｎを基板上で反応させることにより、結晶性の良好なＡｌＮ薄膜を成膜する方法が好ましい。なお、成膜の際に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを原子状ビームにして、同時にドーピングすることにより、膜中にｎ型のドーパントとｐ型のドーパントの対を形成させて低抵抗ｎ型及び低抵抗ｐ型ＡｌＮ薄膜を成膜することができる。
【００４１】
ＡｌＮ薄膜は、図３に示す分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いる成膜装置を用いて、成膜することができる。具体的には、ホルダー（不図示）に、基板３２を取り付け、真空排気装置（不図示）で真空チャンバー３１内を真空に維持し、電熱ヒーター（不図示）で基板３２を５００〜１１５０℃に加熱する。導入管３４から、ビームとして、原子状Ａｌを基板３２に向けて流し、導入管３５からＮ２ガスを基板３２に向けて流す。各原料は、ＲＦコイル３８で加熱して熱分解される。導入管３６から、Ｃ等のアクセプターを基板３２に向けて流し、導入管３７から、Ｏ等のドナーを基板３２に向けて流し、ドーピングしながら、基板３２上に、ＡｌＮ薄膜３３を成膜する。ドナーとなるＯ、アクセプターとなるＣとしては、Ｏ２、ＣＯ、ＣＯ２等の気体分子にマイクロ波領域の電磁波を照射して原子状にしたものや、単体セルを高温にして原子状にしたものを用いる。なお、ｎ型ドーパントのＯ、ｐ型ドーパントのＣを、ラジオ波、レーザー、Ｘ線、電子線等で電子励起することにより原子状にしたものをドーピングするが、これらの電子励起の手段としては、公知のものを用いることができる。
【００４２】
ＡｌＮ薄膜の成膜条件の一例を以下に示す。真空チャンバー３１内を真空度１０−１０Ｔｏｒｒに維持し、電熱ヒーターでアルミナからなる基板３２を加熱する。オーブンヒーターでＡｌ源を加熱し、原子状Ａｌのビームを基板３２に向けて照射する。Ｎ２をＲＦコイル３８により励起し、Ｎ＋又は励起状態のＮ２の原子状ガス流を基板３２に向けて供給し、吸着させる。アクセプターとしてのＣを導入管３６から流量１０−９Ｔｏｒｒで、基板３２に向けて流し、ドナーとしてのＯを導入管３７から流量５×１０−９Ｔｏｒｒで、基板３２に向けて流し、ドーピングしながら、基板３２の温度６００℃、６５０℃、８００℃、１０００℃、１１００℃でＡｌＮを結晶成長させる。アクセプターとなるＣ及びドナーとなるＯは、ＲＦコイル３８で電子励起することにより原子状ガスにする。１２０分経過した後に結晶成長を停止する。得られたＡｌＮ結晶は、Ｃ及びＯをドーピングした場合は、単独のｎ型ドナー（Ｏのみをドーピングした場合）と比較して、いずれの結晶成長温度でも数ケタ高いｎ型キャリア濃度を示す。ｐ型キャリア濃度についても概ね同様である。
【００４３】
さらに、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いてＡｌＮ薄膜を成膜することもできる。ターゲット材料は、純度が９９．９９９％のアルミニウムを使用する。基板は、Ｃｏｒｎｉｎｇ７０５９を使用する。典型的な成膜条件は、基板の温度が５７３〜５８３Ｋ、ガス圧が０．６５Ｐａ、ターゲット距離が７５ｍｍ、スパッタ時間が１２０分及びスパッタパワーが１００Ｗである。雰囲気としては、Ｎ２ガスの他、ＡｒとＮ２の混合ガス、ＫｒとＮ２の混合ガス及びＸｅとＮ２の混合ガスを使用することができる。
【００４４】
本発明において、ＧａＮ薄膜は、図３に示す成膜装置と同様の装置を用いて、成膜することができる。Ｇａのビームを得るために、Ｇａ加熱セルの温度を９６０℃とし、Ｎ２ガスの流量を１．５ｓｃｃｍ、ＲＦプラズマ出力を３５０Ｗ、基板の温度を８７０℃として、ＧａＮ薄膜を成膜する。ＧａＮ薄膜を成膜する際のＧａフラックスは３．０×１０−７Ｔｏｒｒ、Ｎ２フラックスは、４．５×１０−５Ｔｏｒｒである。なお、窒素源としては、反応性の高いＮＨ３ガスを用いてもよい。
【００４５】
この他のＧａＮ薄膜の成膜装置としては、図４に示すレーザーアブレーション法を用いる装置が挙げられる。一般に、窒化物半導体の薄膜は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いて成膜されているが、これらの成膜法では、Ｎ２ガスをそのまま窒素源として用いることができず、一度プラズマ化等の手段で活性化する必要がある。また、基板の温度も７００℃以上の高温が必要であり、基板は、熱的に安定な材料（例えば、サファイア等）からなる必要がある。これに対して、レーザーアブレーション法は、高エネルギー紫外線レーザーによる原料の昇華を利用する方法であり、昇華した材料が作り出す局所的な強い非平衡場によりＮ２ガスが解離、反応するため、窒化物半導体の低温、Ｎ２雰囲気下での成膜が可能である。具体的には、エキシマレーザー４１（波長２４８ｎｍ、エネルギー密度３Ｊ／ｃｍ２、繰り返し周波数１０〜１５Ｈｚ）を原料となるターゲット４２に照射する。レーザー照射によりターゲット４２は、瞬間的に昇華し、プルームと呼ばれる一種のプラズマ状態となって雰囲気ガスと衝突を繰り返した後、基板４３上に到達して薄膜を形成する。窒素源４４として、Ｎ２ガスを１０−５〜０．１Ｔｏｒｒ導入する。基板４３の温度は、室温〜７００℃に設定する。試料表面の状態は、反射型電子線回折法（ＲＨＥＥＤ法）で、その場観察を行って評価する。
【００４６】
ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法において、基板の温度が６００℃以下では、ＧａＮが多結晶あるいは非晶質となるが、レーザーアブレーション法では、室温でも結晶性の良好なＧａＮが得られる。これは、レーザーによって昇華した粒子の運動エネルギーが大きく、基板の温度が低くても、基板の表面における原子のマイグレーションエネルギーが保たれており、室温でも結晶化及び歪み緩和が起こるためと考えられる。
【００４７】
本発明において、特定の条件で成膜されたＢＮ薄膜は、電界電子放出特性に優れた表面形状を有し、強い耐電界強度を有する。すなわち、気相反応によって基板上にＢＮ薄膜を成膜する場合、基板の近傍に高エネルギーの紫外光を照射すると、ＢＮ薄膜の表面に、先端が尖った形状のＢＮが適宜間隔を置いて、紫外光の照射方向に自己組織的に生成し、成長する。このＢＮ薄膜に電界を印加すると、容易に電子を放出する。さらに、従来の電子放出材料から考えると、極めて高いレベルの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、性能を維持することができる。
【００４８】
ＢＮ薄膜において、電界電子放出特性に優れた表面形状が気相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が、その理由は、以下のように考えることができる。すなわち、紫外光の照射により、基板の表面でのＢＮの成長反応が促進されるが、これは、反応速度が紫外光の強度に比例することを意味する。ここで、初期核が半球形であると仮定すると、頂点付近では、紫外光の強度が大きく、成長が促進されるのに対して、周縁部分では、紫外光の強度が弱まり、成長が遅れる。これが先端の尖った形状のＢＮが形成される要因の一つであると考えられる。
【００４９】
ＢＮ薄膜の成膜装置としては、図５に示す化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる装置が挙げられる。反応容器５１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５２と、導入された反応ガス等を容器外へ排出するためのガス排出口５３を備え、真空ポンプ（不図示）に接続され、大気圧以下に減圧維持されている。反応容器５１内のガスの流路には、基板５４が配置されている。さらに、エキシマ紫外光レーザー装置（不図示）から基板５４に紫外光５６が照射されるように、反応容器５１の壁体の一部に光学窓５５が設けられている。反応容器５１に導入された反応ガスは、基板５４の表面において、照射される紫外光５６によって励起され、反応ガス中の窒素源とホウ素源が気相反応し、基板５４上に、５Ｈ型又は６Ｈ型の多形構造を有するｓｐ３結合性ＢＮが生成し、膜状に成長する。この場合の反応容器５１内の圧力は、０．００１〜７６０Ｔｏｒｒとすることが可能であり、基板５４の温度は、室温〜１３００℃とすることが可能である。このとき、反応生成物を高純度で得るためには、高温低圧であることが好ましい。なお、基板５４の表面からその近傍の空間領域に対して、紫外光５６を照射する際に、プラズマを併せて照射してもよい。プラズマトーチ５７は、反応ガス及びプラズマが基板５４に向けて照射されるよう、ガス導入口５２と、プラズマトーチ５７が基板５４に向けて一体に設定されている。
【００５０】
このようにして得られるｓｐ３結合性ＢＮの構造としては、例えば、ｓｐ３結合性５Ｈ−ＢＮ、ｓｐ３結合性６Ｈ−ＢＮが挙げられる。六方晶系５Ｈ型又は６Ｈ型の多形構造を有するｓｐ３結合性ＢＮとしては、例えば、特許第３５９８３８１号公報に記載されているものが挙げられる。特に、ｓｐ３結合性５Ｈ−ＢＮは、ダイヤモンドと同じ結合状態を有し、ダイヤモンドの次に硬いＢＮである。ＢＮは、例えば、ルツボ等にも用いられる材料であり、耐熱性と化学物質に対する耐性を有することから、従来にない耐久性を持ち、高負荷にも耐えられる電子放出材料である。このようなＢＮを有する電子放出素子を作製するとき、ＢＮは、導電材料の表層に形成された膜厚が２０μｍ以下の薄膜とすることで、製造に時間がかかり、コストが高くなる単結晶を用いる場合に比べて、電子放出特性をある程度維持したまま、製造時間を短縮し、コストダウンを図ることができる。また、ボールミル、粉砕機等の物理的な手段によって、粉体化したＢＮを電極となる導電材料に導電的に接触させて固定することにより、単結晶のＢＮを用いた場合に比べて製造工程が簡略化され、コストの低減を図ることができる。
【００５１】
以下に、ＢＮの生成例を示す。
（生成例１）
Ａｒ（流量２ＳＬＭ）とＨ２（流量５０ｓｃｃｍ）の混合希釈ガス流中に、Ｂ２Ｈ６（流量１０ｓｃｃｍ）及びＮＨ３（流量２０ｓｃｃｍ）を導入すると共に、ポンプにより排出することにより圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中で、加熱により８００℃に保持したシリコンからなる基板５４上に、エキシマ紫外光レーザー装置から紫外光５６を照射した。６０分間の合成により、ＢＮ薄膜を得た。ＢＮ薄膜をＸ線回折法により解析した結果、結晶系は六方晶系であり、ｓｐ３結合による５Ｈ型多形構造であり、格子定数は、ａ＝２．５２Å、ｃ＝１０．５Åであった。
【００５２】
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、ＢＮ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〜数十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た。ＢＮ薄膜の電界電子放出特性を調べるため、直径１ｍｍの円柱状の金属電極を、ＢＮ薄膜の表面から３０μｍ隔てて設置し、真空中でＢＮ薄膜と金属電極の間に電圧を印加して電子放出量を測定した。その結果、電界強度が１５〜２０Ｖ／μｍにおいて、電流密度の増大が見られ、２０Ｖ／μｍにおいて、測定用高圧電源の限界電流値（１．３Ａ／ｃｍ２相当）で飽和することが判った。また、この時の電流値の時間変化を観察した結果、約１５分間、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たことから、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。
（比較生成例１）
紫外光の照射以外は、生成例１と同様の条件で同時に作製したＢＮ薄膜で、紫外光が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４２Ｖ／μｍとなり、紫外光が照射された部分の１５Ｖ／μｍに比べて、大幅に高くなっていることが判った。また、この部分を走査型顕微鏡で観察したところ、電界電子放出によるＢＮ薄膜の損傷・剥離が見られた。一方、紫外光が照射された部分には、電界電子放出によるＢＮ薄膜の損傷・剥離は見られなかった。
（生成例２）
Ａｒ（流量２ＳＬＭ）とＨ２（流量５０ｓｃｃｍ）の混合希釈ガス流中に、Ｂ２Ｈ６（流量１０ｓｃｃｍ）及びＮＨ３（流量２０ｓｃｃｍ）を導入すると共に、ポンプにより排出することにより圧力３０Ｔｏｒｒに保った雰囲気中で、プラズマトーチ５７から、ＲＦプラズマ（出力８００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚ）を発生させ、加熱により９００℃に保持したシリコンからなる基板５４上に、エキシマ紫外光レーザー装置から紫外光５６を照射した。６０分間の合成により、ＢＮ薄膜を得た。ＢＮ薄膜を生成例１と同様の方法で同定した結果、結晶系は、六方晶系であり、ｓｐ３結合による５Ｈ型多形構造であり、格子定数は、ａ＝２．５Å、ｃ＝１０．４Åであった。
【００５３】
走査型電子顕微鏡像によって観察した結果、ＢＮ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た。ＢＮ薄膜の電界電子放出特性を調べるため、直径１ｍｍの円柱状の金属電極を、ＢＮ薄膜の表面から４０μｍ隔てて設置し、真空中でＢＮ薄膜と金属電極の間に電圧を印加して電子放出量を測定した。その結果、電界強度１８〜２２Ｖ／μｍにおいて、電流密度の増大が見られ、２２Ｖ／μｍにおいて、測定用高圧電源の限界電流値（１．３Ａ／ｃｍ２相当）で飽和することが判った。また、この時の電流値の時間変化を観察した結果、約１５分間、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たことから、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。
【００５４】
以上のように、ｓｐ３結合性５Ｈ−ＢＮは、電界電子放出特性に優れた表面形状、すなわち、先端の尖った形状が自己造形的に形成された特異な構成を有する。
【００５５】
図６に、本発明の帯電装置の一例を示す。図６は、感光体６０の軸方向の断面図である。図６に示す帯電装置は、図１に示す電子放出素子１０を有する。導電材料１１上に窒化物半導体の薄膜１２を一様に形成した電子放出素子１０を使用して、電源１３から電圧を印加し、感光体６０を帯電させる。
【００５６】
電子放出素子１０は、膜厚５０〜１５０μｍのＷ、Ｔａ等の導電材料１１上に、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて、ＡｌＮからなる窒化物半導体の薄膜１２を成膜することにより得られる。成膜条件は、ターゲット材料がアルミニウム（純度９９．９９９％）、雰囲気がＮ２ガス、基板の温度が６５０℃、Ｎ２ガス圧が０．０１ｔｏｒｒ、ＲＦパワーが２５０Ｗ、成膜時間が１０分である。一方、感光体６０は、円筒状の導電性基体６１上に、感光層６２が形成されている。
【００５７】
なお、図６では、導電材料１１上に窒化物半導体の薄膜１２を一様に形成した電子放出素子１０を使用しているが、複数の電子放出素子１０を導電材料７１上に隙間なく並べて配置し、導電性接着剤で固定した電子放出素子アレイ７０を使用しても同様の効果が得られる（図７参照）。なお、導電材料７１としては、導電材料１１と同様の材料を用いることができる。
【００５８】
このとき、幅５ｍｍの電子放出素子アレイ７０を固定して、電子放出素子１０と感光体６０の間隔を２０μｍに保ち、感光体６０の線速を２００ｍｍ／秒とし、電源１３から電子放出素子１０に対して−２０Ｖの電圧を印加して非接触帯電を行うと、感光体６０の表面は、−６００Ｖに帯電される。このことから、この帯電装置は、従来の帯電装置に比べて、非常に低い電圧の印加で十分な帯電能力を有することがわかる。また、電子放出を継続して行っても、帯電性能が持続されることから、電子放出素子１０が劣化していないことがわかる。なお、窒化物半導体として、ＡｌＮの代わりに、ＧａＮ、ＢＮ等の材料を用いても、同様の効果が得られる。また、電子放出素子１０と感光体６０の間隔を５０μｍに保ち、電源１３から電子放出素子１０に対して−５０Ｖの電圧を印加して非接触帯電を行うと、感光体６０の表面は、−６００Ｖに帯電される。さらに、電子放出素子１０と感光体６０の間隔を１００μｍに保ち、電源１３から電子放出素子１０に対して−１００Ｖの電圧を印加して非接触帯電を行うと、感光体６０の表面は、−１００Ｖに帯電される。
【００５９】
これらの結果から、電子放出素子１０と感光体６０の間隔が大きくなると、電子放出素子１０から放出される電子が感光体６０まで到達しにくいことがわかる。したがって、後述するように、電子放出素子１０と感光体６０の間隔が大きい場合は、放出された電子を加速し、感光体６０まで到達させるために、グリッドを設けることが好ましい。
【００６０】
また、対向する窒化物半導体の薄膜１２と感光体６０（感光層６２）の表面電位の差がパッシェンの法則に基づく放電限界（空隙破壊電圧）以下となるように、電源１３から電子放出素子１０に電圧が印加されることが好ましい。これにより、放電に起因する大気中の分子の電離によるオゾン、窒素酸化物の発生を抑制することができ、感光体６０の劣化及び消耗を抑制することができる。さらに、パッシェン放電させないことにより、被帯電体の帯電電位の制御性が良くなると共に、放電生成種による窒化物半導体へのアタックがなくなり、窒化物半導体の材料寿命を延ばすことができる。
【００６１】
また、電子放出素子１０に対向すると共に、帯電装置により帯電される位置より回転方向上流側の感光体６０（感光層６２）の表面電位をＶ、電源１３から電子放出素子１０に印加される電圧をＶｔとすると、式
｜Ｖ−Ｖｔ｜≦３００
の関係が成り立つことが好ましい。この関係が成り立つことで、より確実にパッシェン放電を抑制することができ、帯電電位の制御性が良くなると共に、窒化物半導体の材料寿命を延ばすことができ、大気中での放電特性に優れて耐久性のある帯電装置を得ることができる。
【００６２】
また、上述したように、電子放出素子１０と感光体６０の間隔は、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上がさらに好ましい。これにより、感光体６０の振れのスペース及び二成分現像剤用キャリアの直径以上の間隔を予め確保することができ、電子放出素子１０への異物や感光体６０の衝突による傷を抑制することができ、窒化物半導体の材料寿命を延ばすことができる。
【００６３】
図８に、本発明の帯電装置の他の例を示す。なお、図８（ａ）は、感光体の軸方向に垂直な断面図であり、図８（ｂ）は、感光体の軸方向の断面図である。図８に示す帯電装置は、電子放出素子１０を絶縁性の略コの字状のケース１６内に収納し、ケース１６の開口部を感光体６０に対向するように配置する。そして、ケース１６の開口部にステンレス製のグリッド１４を取り付け、このグリッド１４に電源１５から電圧を印加する構成としている。ここで、グリッド１４としては、従来からスコロトロン帯電方式で用いられているハニカム構造のステンレス板を用いているが、その他の電子が通過する構造の導電性膜や穴を形成した導電性板状部材を使用することもできる。
【００６４】
このとき、電子放出素子１０とグリッド１４の間隔を５０μｍに保ち、グリッド１４と感光体６０の間隔を１ｍｍとし、感光体６０の線速を２００ｍｍ／秒とし、電源１３から電子放出素子１０に−２０Ｖの電圧を印加し、電源１５からグリッド１４に−６５０Ｖの電圧を印加して非接触帯電を行うと、感光体６０の表面は、−６００Ｖに帯電される。グリッド１４に印加する電圧を変化させると、感光体６０の表面電位も変化し、グリッド１４に−８５０Ｖの電圧を印加すると、感光体６０の表面は、約−８００Ｖに帯電される。また、グリッド１４に印加する電圧を小さくすると、感光体６０の表面電位もそれに対応して小さくなる。
【００６５】
このように、電子放出素子１０と感光体６０の間の空隙に感光体６０の表面電位を制御するグリッド１４を配置することにより、電子放出素子１０と感光体６０の間隔を大きくしても、感光体６０を十分に帯電させることができる。これにより、遠距離から電子放出を行うことができ、トナー等による電子放出素子１０の汚れを抑制することができると共に、帯電電位を安定化させることができ、電子放出素子１０への異物や感光体６０の衝突による傷を抑制することができ、窒化物半導体の材料寿命を延ばすことができる。
【００６６】
図９に、本発明の画像形成装置の一例を示す。図９に示す画像形成装置は、矢印方向に回転する感光体６０の周囲に、感光体６０の表面を帯電させるための電子放出素子アレイ７０を有する帯電装置９１（図７参照）と、帯電した感光体６０上に原稿画像に応じて照射される露光光９２によって形成された静電潜像を現像するための現像装置９３と、感光体６０上のトナー像を被転写体９４に転写するための転写装置９５と、転写後の感光体６０上の残留トナーを除去するクリーニング装置９６と、感光体６０上の残留電荷を除去する除電装置９７が配置されており、トナー像が転写された被転写体９４に定着処理を行う定着装置９８を備えている。
【００６７】
ここで、帯電装置９１の電子放出素子１０と感光体６０の間隔を５０μｍとし、電子放出素子アレイ７０に−５０Ｖの電圧を印加することで、電子放出素子アレイ７０から放出された電子は、感光体６０上に付着し、感光体６０の表面が帯電される。帯電後の感光体６０は、２００ｍｍ／秒で回転し、露光装置（不図示）によりレーザー光等の露光光９２が照射され、静電潜像が形成される。その後、現像装置９３によって静電潜像がトナーを含有する現像剤で現像されて可視像となり、感光体６０上に形成されたトナー像は、転写装置９５により、紙等の被転写体９４に転写される。トナー像が転写された後の感光体６０上には、微量のトナーが残るが、クリーニング装置９６により除去され、除電装置９７によって感光体６０は、必要に応じて除電され、次の画像形成プロセスに備える。なお、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構成とすることもできる。
【００６８】
この場合、電子放出素子アレイ７０を有する帯電装置９１は、前述したように、オゾン、窒素酸化物の発生を抑制しながら、感光体６０を帯電することができ、また、印加電圧を従来のコロナ帯電やローラ帯電方式に比べて低減することができるので、省エネルギーの画像形成装置とすることができる。さらに、低エネルギーで電子放出を行うことができるので、感光層のポリカーボネート等の有機材料をアタックして、酸化させることを抑制することができるので、感光体の膜削れも低減できる。
【００６９】
図１０に、本発明の帯電装置の他の例を示す。図１０に示す帯電装置は、絶縁材料１０１上に、複数の電子放出素子１０を感光体の軸方向の長さ、例えば、３００ｍｍに亘って、例えば、６００ｄｐｉの密度で並べて配置されており、電源（不図示）から、各々の電子放出素子１０に対して、独立して電圧が印加される。具体的には、プリント信号が与えられたときに、画像に応じた書き込み信号に従って、各電子放出素子１０に対して、電圧を印加することで、電圧が印加された電子放出素子１０のみから電子が放出されて、対向する感光体の１ドットに相当する面積が帯電される。一方、電圧が印加されなかった電子放出素子１０に対応する感光体の領域は、帯電されないので、感光体上に帯電部と非帯電部が形成され、これが静電潜像となる。このように、静電潜像を形成する帯電装置は、従来の帯電と露光の２つの工程を１つの工程に簡略化できるため、画像形成装置の小型化、低コスト化を図ることができる。つまり、所定の間隔を隔てて配置された複数の電子放出素子と、複数の電子放出素子に対して、独立に電圧を設定し、印加する電源を備える帯電装置を用いることにより、感光体を１ドット単位で帯電／非帯電することができる。したがって、静電潜像を帯電時に直接感光体上に形成することができ、感光体に静電潜像を形成するための露光装置を必要としなくなるため、画像形成装置の低コスト化を図ることができる。
【００７０】
この場合、電源は、複数の電子放出素子に対して、電子放出素子のそれぞれが同量の電荷を感光体に付与するように制御された電圧を印加することが好ましい。つまり、複数の電子放出素子を有する帯電装置により感光体に静電潜像を直接形成する場合に、高画質な画像が得られるので、１画素に相当する電子放出素子のそれぞれが付与する電荷が同量になるように制御することが好ましい。
【００７１】
絶縁材料１０１としては、石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、ホウケイ酸ガラス、青板ガラス、表面に不純物ブロック用のＳｉＯ２膜を形成したガラス基板、アルミナ、マグネシア等のセラミックス基板等を用いることができる。
【００７２】
導電材料１１の成膜方法としては、真空蒸着、イオンプレーテイング、ラスターイオンビーム蒸着、スパッタ、マグネトロンスパッタ等の気相製膜法、スクリーン法、インクジェット法等の湿式印刷法等を使用することが可能である。また、導電材料１１の膜厚は、コスト及び導電材料１１の抵抗値、さらには、導電材料の内部応力による剥がれ等の観点から、１００Å〜１μｍであることが好ましい。
【００７３】
図１１に、本発明のプロセスカートリッジの一例を示す。プロセスカートリッジ１１０は、感光体６０、帯電装置９１、現像装置９３、クリーニング装置９６を一体に結合して構成され、複写機、プリンタ等の画像形成装置本体に対して着脱可能である。なお、本発明のプロセスカートリッジの構成は、これに限定されるものではなく、感光体６０及び帯電装置９１を少なくとも有し、現像装置９３、転写装置９５、クリーニング装置９６及び除電装置９７の少なくとも一つをさらに有してもよい。なお、帯電装置９１を画像形成装置本体に対して着脱自在であるプロセスカートリッジ内に具備させることにより、メンテナンス性の向上、他の装置との一体交換を容易に行うことができるようになる。
【００７４】
図１２に、本発明の画像形成装置の他の例を示す。図１２に示す画像形成装置は、水平に延在する転写ベルト１２１に沿って、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の画像を形成するためのプロセスカートリッジ１１０Ｙ、１１０Ｍ、１１０Ｃ、１１０Ｋを並置したカラー画像形成装置である。プロセスカートリッジ１１０（１１０Ｙ、１１０Ｍ、１１０Ｃ、１１０Ｋ）で現像された感光体６０上の現像トナーは、水平に延在する転写電圧が印加された転写ベルト１２１に順次転写される。このようにイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと画像の形成が行われ、転写ベルト１２１上に多重に転写され、転写装置１２２で被転写体１２３にまとめて転写される。そして、被転写体１２３上の多重トナー像は、定着装置（不図示）によって定着される。なお、プロセスカートリッジ１１０は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順で並置されているが、この順に限定されるものではなく、どの順で並置してもよい。
【００７５】
通常、カラーの画像形成装置は、複数の画像形成部を有するため、装置が大きくなる。また、クリーニング装置、帯電装置等の各ユニットが個別で故障した場合及び寿命による交換時期となった場合は、装置が複雑でユニットの交換に非常に手間がかかることになる。そこで、プロセスカートリッジとして、感光体６０及び帯電装置９１を少なくとも一体に結合して構成することにより、ユーザーによる交換も可能な小型で高耐久のカラー画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の電子放出素子の一例を示す図である。
【図２】本発明の電子放出素子の他の例を示す図である。
【図３】本発明で用いられる窒化物半導体の成膜装置の一例を示す図である。
【図４】本発明で用いられる窒化物半導体の成膜装置の他の例を示す図である。
【図５】本発明で用いられる窒化物半導体の成膜装置の他の例を示す図である。
【図６】本発明の帯電装置の一例を示す図である。
【図７】本発明の帯電装置の他の例を示す図である。
【図８】本発明の帯電装置の他の例を示す図である。
【図９】本発明の画像形成装置の一例を示す図である。
【図１０】本発明の帯電装置の他の例を示す図である。
【図１１】本発明のプロセスカートリッジの一例を示す図である。
【図１２】本発明の画像形成装置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０、２０    電子放出素子
１１、２１、７１    導電材料
１２、２２    窒化物半導体の薄膜
１３、１５    電源
１４    グリッド
６０    感光体
７０    電子放出素子アレイ
９１    帯電装置
９２    露光光
９３    現像装置
９４、１２３    被転写体
９５、１２２    転写装置
９６    クリーニング装置
９７    除電装置
９８    定着装置
１０１    絶縁材料
１１０    プロセスカートリッジ
１２１    転写ベルト
【図１】
2008096922.tif 000003
【図２】
2008096922.tif 000004
【図３】
2008096922.tif 000005
【図４】
2008096922.tif 000006
【図５】
2008096922.tif 000007
【図６】
2008096922.tif 000008
【図７】
2008096922.tif 000009
【図８】
2008096922.tif 000010
【図９】
2008096922.tif 000011
【図１０】
2008096922.tif 000012
【図１１】
2008096922.tif 000013
【図１２】
2008096922.tif 000014