(57)【要約】【課題】長期間安定して駆動可能な電子放出装置とこれを用いた帯電装置とその帯電方法を提供する。【解決手段】第１電極６と第２電極２との間に半導体層４が形成されており、第１電極６側における半導体層４の表面の少なくとも一部が多孔質５となっている電子放出素子１１を含む電子放出装置１０であって、電子放出を可能とする正電圧と、正電圧とは逆極性の負電圧と、を第１電極６に交互に印加する電源２０を備えた電子放出装置１０とこれを用いた帯電装置１である。また、電子放出装置１０の第１電極６に、正電圧と負電圧とを交互に印加する帯電方法である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と第２電極との間に半導体層が形成されており、前記第１電極側における前記半導体層の表面の少なくとも一部が多孔質となっている電子放出素子を含む電子放出装置であって、電子放出を可能とする正電圧と、前記正電圧とは逆極性の負電圧と、を前記第１電極に交互に印加する電源を備えたことを特徴とする、電子放出装置。
【請求項２】
前記負電圧の大きさの絶対値が、前記電子放出装置の電子放出開始電圧の大きさの絶対値の１．５倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載の電子放出装置。
【請求項３】
前記正電圧の印加時間ｔ１と前記負電圧の印加時間ｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１以上１０００以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子放出装置。
【請求項４】
前記第１電極が偶数個形成されており、前記第１電極の半分と前記第１電極の残りの半分とにそれぞれ極性の異なる電圧を交互に印加する電源を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の電子放出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の電子放出装置と、前記電子放出装置の前記第１電極の表面と間隔をあけて対向して設置されている被帯電体と、を含むことを特徴とする、帯電装置。
【請求項６】
第１電極と第２電極との間に半導体層が形成されており、前記第１電極側における前記半導体層の表面の少なくとも一部が多孔質となっている電子放出素子を含む電子放出装置において、前記電子放出装置の前記第１電極に、電子放出を可能とする正電圧と、前記正電圧とは逆極性の負電圧と、を交互に印加することを特徴とする、帯電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出装置、帯電装置および帯電方法に関し、特に、電子写真方式の複写機、プリンタまたはファクシミリ等の画像形成装置に用いられる電子放出装置、帯電装置および帯電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電子写真複写機のような画像形成装置においては、感光体等の被帯電体に静電潜像を形成するのに先立って、被帯電体の表面を種々の方法で均一に帯電させている。
【０００３】
従来の帯電方法としては、例えば、コロナ放電によるものがある。この方法は、非常に細いワイヤから放電することによって、感光体の表面を帯電させる方法である。しかし、この方法においては、感光体の表面を帯電させるために約４〜１０ｋＶ程度の高圧電源が必要であるという問題があった。また、ワイヤからの放電によって、ワイヤと感光体の表面との間の空間に多量のオゾンが発生するため、人体に悪影響を与えるばかりでなく感光体の劣化を速めるという問題があった。この問題を解決するため、例えば、オゾンの発生量を低減させるように改善されたコロナ帯電器が、特許文献１および特許文献２に開示されている。
【０００４】
また、他の帯電方法としては、接触帯電方式によるものが近年実用化されている。この方法は、オゾンの発生量と消費電力量とを低減させるため、導電性のローラ、ブラシ、弾性ブレードまたはカーボンナノチューブ等の導電性部材を感光体の表面に接触させて感光体の表面を帯電させるものである。
【０００５】
現在、導電性部材として導電性ローラを用いるローラ帯電方式が、帯電の安定性という観点から広く利用されている。ローラ帯電方式では、導電性の弾性ローラが感光体に加圧当接され、このローラに電圧が印加されることによって感光体の帯電が達成される。しかし、ローラ帯電方式においては、感光体の表面に極微な欠陥（ピンホール）があった場合に、導電性部材から感光体の表面の欠陥部に異常な量の電流リークが生じることによって感光体の表面が破壊されてしまい、画像形成に悪影響が出ることがあった。
【０００６】
このローラ帯電方式をさらに改良したものとして、ローラ帯電部材（一次帯電ローラ）と感光体との間に二次帯電ローラを追加した方式が知られている（例えば、特許文献３参照）。ここで、二次帯電ローラは、一次帯電ローラから感光体へ電荷を運搬する役割を担うものであり、感光体のピンホールによる電流リーク問題を解消することを目的とする。しかし、この方式においても、帯電現象は二次帯電ローラと感光体との間の狭ギャップで発生する微小放電に支配されるため、帯電時に発生するオゾンガスやＮＯＸガスを完全に取り除くことができなかった。
【０００７】
また、カーボンナノチューブを接触型帯電器に応用したものが、例えば特許文献４などに開示されている。しかし、このカーボンナノチューブを用いた接触型帯電器においては、感光体に接するチューブの押し付け圧力によって、チューブの物理的な破壊およびそれに伴う帯電能力の低下が生じるという問題があった。
【０００８】
さらに、ＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）構造を有する電子放出素子を用いた帯電装置が、特許文献５に開示されている。この電子放出素子は、電子の加速電界を形成する薄膜電極が多孔質半導体層の表面側に設けられており、多孔質半導体層に電子を注入する電極が多孔質半導体層の裏面側に設けられている。ポーラス化したシリコン薄膜からなる多孔質半導体層の電子放出原理および形成方法に関しては、非特許文献１に詳しく開示されている。この素子を用いた帯電装置においては、電子放出素子から放出された電子による電子付着のみを利用して負イオンを発生させるため、上述の放電を利用した方法のようにオゾンやＮＯｘを原理的に発生させない。
【０００９】
しかし、この多孔質半導体層を用いた電子放出素子においては、特に大気中への電子放出動作時に引き起こされるチャージング（電子捕捉）によって多孔質半導体層を構成するナノサイズの半導体微粒子（ナノシリコン結晶）に帯電する電子が、多孔質半導体内部の電界を不均一にして電子の加速を抑制し、電子放出量を低下させてしまうという問題があった。このチャージングによってナノサイズの半導体微粒子に蓄えられた電子は不揮発性を示し、報告によると一週間以上に渡り、ナノサイズの半導体微粒子に帯電していたという実験結果もある。一般に、大気中でこの素子を駆動した場合、このチャージングによって３分程度の連続駆動で電子放出素子からの電子放出が完全に停止してしまうという問題があった。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−１１４１９２号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平６−３２４５５６号公報
【００１２】
【特許文献３】
特開２００１−２９６７２２号公報
【００１３】
【特許文献４】
特開２００１−２８１９６４号公報
【００１４】
【特許文献５】
特開２００１−３３１０１７号公報
【００１５】
【非特許文献１】
“量子サイズナノシリコンの発光と新規機能”，信学技報，１９９９−０６，ｐ．１１６−１２１
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情に鑑みて、本発明の目的は、長期間安定して駆動可能な電子放出装置とこれを用いた帯電装置とその帯電方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１電極と第２電極との間に半導体層が形成されており、第１電極側における半導体層の表面の少なくとも一部が多孔質となっている電子放出素子を含む電子放出装置であって、電子放出を可能とする正電圧と、正電圧とは逆極性の負電圧と、を第１電極に交互に印加する電源を備えた電子放出装置である。
【００１８】
また、本発明の電子放出装置においては、負電圧の大きさの絶対値が、電子放出装置の電子放出開始電圧の大きさの絶対値の１．５倍以上であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の電子放出装置においては、正電圧の印加時間ｔ１と負電圧の印加時間ｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１以上１０００以下であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の電子放出装置においては、第１電極が偶数個形成されており、第１電極の半分と第１電極の残りの半分とにそれぞれ極性の異なる電圧を交互に印加する電源を備えることもできる。
【００２１】
また、本発明は、上記電子放出装置と、上記電子放出装置の第１電極と間隔をあけて対向して設置されている被帯電体と、を含む帯電装置である。
【００２２】
さらに、本発明は、第１電極と第２電極との間に半導体層が形成されており、第１電極側における半導体層の表面の少なくとも一部が多孔質となっている電子放出素子を含む電子放出装置において、電子放出装置の第１電極に、電子放出を可能とする正電圧と、正電圧とは逆極性の負電圧と、を交互に印加する帯電方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２４】
図１に本発明の帯電装置の好ましい一例の模式的な概念図を示す。この帯電装置１は、電子放出装置１０と、電子放出装置１０の加速電極６の表面である電子放出面１２と間隔をあけて対向して設置されている被帯電体である感光体７と、を含む。
【００２５】
電子放出装置１０は、導電性の基板からなるベース電極２と、ベース電極２上に形成されたｎ型シリコン層３と、ｎ型シリコン層３上に形成されたノンドープの薄いポリシリコン層４と、ポリシリコン層４の一部が多孔質化されている多孔質ポリシリコン層５と、多孔質ポリシリコン層５上に形成された金薄膜からなる加速電極６とから構成される電子放出素子１１を含み、パルス波形、正弦波形または三角波形等の電圧の供給が可能な駆動電源２０がベース電極２および加速電極６とそれぞれ電気的に接続されている。
【００２６】
また、感光体７は、アルミニウム等からなるドラム形状の導電性支持基板８の表面上に２５μｍ程度の厚さで形成されており、導電性支持基板８には直流電圧源であるバイアス電源２１が接続されている。
【００２７】
ここで、図１に示す帯電装置１においては、電子放出装置１０の駆動電源２０によって加速電極６に正電圧が印加され、さらにバイアス電源２１によって導電性支持基板８に正電圧が印加される。すると、加速電極６に正電圧が印加されて生じた電子放出素子１１の内部の電界によって、駆動電源２０からベース電極２に供給された電子が、加速電極６側に加速される。そして、加速された電子が、正電圧が印加されている導電性支持基板８に引き付けられることによって、加速電極６の表面である電子放出面１２から放出され、感光体７の表面上に帯電する。
【００２８】
ここで、本発明においては、駆動電源２０により、電子放出を可能とする正電圧と、その正電圧とは逆極性の負電圧とが加速電極６に交互に印加される。それゆえ、電子放出の過程において、多孔質ポリシリコン層５を構成するナノシリコン結晶に電子が捕捉されたとしても、その後加速電極６に正電圧とは逆極性の負電圧が印加されることから、捕捉された電子をナノシリコン結晶から除去することができる。これにより、再度、加速電極６に正電圧を印加した場合に、電子放出素子１１の内部で加速電極６側に加速された電子が、多孔質ポリシリコン層５中のナノシリコン結晶に捕捉されている電子によって影響を受けることなく、電子放出素子１１の外部に安定して放出されるのである。
【００２９】
このように加速電極６に正電圧と負電圧とを交互に印加することによって、多孔質ポリシリコン層５を構成するナノシリコン結晶に捕捉されている電子を除去しつつ、電子放出素子１１の外部に電子を放出することが可能になることから、本発明の帯電装置１および電子放出装置１０は、長期間安定して駆動可能になるのである。
【００３０】
ここで、負電圧の大きさの絶対値が、電子放出装置１０の電子放出開始電圧の大きさの絶対値の１．５倍以上であることが好ましい。この場合には、電子放出素子１１の内部にベース電極２から加速電極６の方向に十分な電流が流れて、多孔質ポリシリコン層５内に捕捉されている電子を多孔質ポリシリコン層５から有効に除去することができる傾向にある。なお、「電子放出開始電圧」とは、電子放出装置１０から電子放出が開始されるときに加速電極６に印加されている電圧のことをいう。
【００３１】
また、正電圧の印加時間ｔ１と負電圧の印加時間ｔ２との比ｔ１／ｔ２が、１以上１０００以下であることが好ましい。ｔ１／ｔ２が１以上である場合には、電子放出素子１１からの電子の放出を十分に行なうことができる傾向にある。特に、ｔ１がｔ２よりも十分に長い場合には、電子の放出が休止している時間をほぼゼロとみなすことができるため、電子の放出を連続して行なうことができる傾向にある。また、ｔ１／ｔ２が１０００以下である場合には、電子が多孔質ポリシリコン層５内に捕捉されず、安定した電子の放出が可能となる傾向にある。また、ｔ１を３秒以内とすることによって、さらに安定した電子の放出が可能となる。
【００３２】
これらのことは、以下に説明する実験結果から、本発明者が見出したものである。
【００３３】
はじめに、大気圧（室内雰囲気）中において、図２に示す電子放出装置１０から放出された電子が、対向電極９に流れ込むことによって生じた電子放出電流量（Ａ／ｃｍ２）と加速電極６に印加された電圧（Ｖ）との関係を図３に示す。図３において、横軸は加速電極６に１秒間印加された電圧値を示し、縦軸はその電圧の印加によって対向電極９の１ｃｍ２当たりに流れた１秒間の電子放出電流量の平均値を示す。ここで、図２に示す加速電極６の電子放出面１２と対向電極９の表面との間の距離は１ｍｍであり、バイアス電源２１によって対向電極９に印加されたバイアス電圧は＋１００Ｖである。
【００３４】
図２に示す電子放出装置１０においては、図３に示す印加電圧が＋８Ｖになったときから電子放出電流が測定され始め、それ以降＋８Ｖから印加電圧が上昇するにつれて電子放出電流量も上昇していく。
【００３５】
しかし、大気圧中において、この電子放出装置１０の加速電極６に、正電圧を印加し続けた場合には、図４に示すように、電子放出電流量（Ａ／ｃｍ２）は指数関数的に減少していく。これは、多孔質ポリシリコン層５を構成するナノシリコン結晶に電子が次第に捕捉されていったためである。なお、図４において、横軸は加速電極６に＋１８Ｖを印加した直後からの経過時間（分）を示す。
【００３６】
次に、この電子放出装置１０の加速電極６に、正電圧と負電圧とを交互に印加したときの対向電極９における電子放出電流量を測定した結果を図５に示す。ここで、加速電極６に印加された電圧波形は図６に示したパルス状のものとした。図６において、電子放出を可能とする正電圧の印加時間がｔ１であり、負電圧の印加時間がｔ２である。また、ｔ１とｔ２との比（ｔ１／ｔ２）は２である。
【００３７】
図５に示すように、ある一定間隔で加速電極６に負電圧を印加した場合には、図４に示した場合と比較して、電子放出電流量（Ａ／ｃｍ２）は、一定に保たれることがわかった。
【００３８】
なお、加速電極６に印加される正電圧の値は、必要となる電子放出電流量に合わせてその値が決定される。ここでは、＋１８Ｖとした。また、負電圧の値は、以下の実験結果から決定された。
【００３９】
図７は、０Ｖ→−１８Ｖ→０Ｖ→＋１８Ｖ→０Ｖの順に、２Ｖ間隔で１秒間、図２に示す電子放出装置１０の加速電極６に電圧を印加したときに電子放出素子１１中に流れたダイオード電流量を測定した結果である。図７において、横軸は加速電極６に印加された電圧（Ｖ）を示し、縦軸は電子放出素子１１の１ｃｍ２当たりに流れたダイオード電流量（Ａ／ｃｍ２）を示す。なお、図７において、ダイオード電流量が正の値である場合には、加速電極６からベース電極２の方向（順方向）へダイオード電流が流れることを示しており、ダイオード電流量が負の値である場合には、ベース電極２から加速電極６の方向（逆方向）へダイオード電流が流れることを示している。
【００４０】
上述したように、電子放出素子１１の電子放出開始電圧は＋８Ｖであった。また、０Ｖ→−１８Ｖの過程においては、印加電圧を−１０Ｖとした時から逆方向のダイオード電流が流れ始め、印加電圧を−１２Ｖとした時には電流量が−３００μＡ／ｃｍ２となった。
【００４１】
図４に示したように、加速電極６に正電圧を印加し続けた場合には、多孔質ポリシリコン層５に電子が捕捉され、電子放出電流量は次第に減少する。この捕捉された電子は、ダイオード電流を順方向に流し続けた場合、または加速電極６を開放状態として放置した場合には、極めて長い期間保持される（１週間以上保持されたとの報告が非特許文献１にある）。しかし、加速電極６に負電圧を印加し、ある程度の量のダイオード電流を逆方向に流すことによって、捕捉されている電子を多孔質ポリシリコン層５から除去することができる。ここでは、加速電極６に−１２Ｖ以上の負電圧を印加した場合に、捕捉された電子が多孔質ポリシリコン層５から完全に除去され、電子放出電流量をほぼ初期の値に回復させた。
【００４２】
したがって、多孔質ポリシリコン層５に捕捉された電子を初期の状態に回復させるためには、加速電極６に印加される負電圧の大きさの絶対値（１２Ｖ）が、電子放出装置１０の電子放出開始電圧の大きさの絶対値（８Ｖ）の１．５倍以上であることが必要であることがわかった。
【００４３】
また、正電圧の印加時間ｔ１と、負電圧の印加時間ｔ２との比であるｔ１／ｔ２を変化させた場合にも上記と同様の特性が得られた。すなわち、ｔ１／ｔ２が１以上１０００以下である場合には、安定して、捕捉された電子を初期の状態に回復させることができた。ただし、多孔質ポリシリコン層５の設計にもよるが、ｔ１があまりにも長すぎると、電子捕捉の影響が電子放出電流量に現われるため、ｔ１は長くとも３秒以内とすることが好ましい。
【００４４】
このような構成の本発明の電子放出装置１０の製造方法の好ましい一例を以下に説明する。まず、ベース電極２上にｎ形シリコン層３を形成する。次に、ｎ形シリコン層３の表面上にＣＶＤ法（化学蒸着法）により膜厚約１．５μｍのノンドープのポリシリコン層４を形成する。次いで、フッ化水素水溶液とエタノールとの混合溶液中に、ポリシリコン層４を陽極とし、白金電極を陰極として浸漬し、ポリシリコン層４に光を照射しながら、これらの電極間に定電流（３０ｍＡ／ｃｍ２）を流して陽極酸化処理を施す。この陽極酸化処理によって、ポリシリコン層４の一部が多孔質化され、多孔質ポリシリコン層５が形成される。次いで、この積層体を溶液中から取り出し、酸素ガス流を３００ｍｌ／分の割合で流しながら、約９００℃で１時間、多孔質ポリシリコン層５の表面の熱酸化を行なう。そして、多孔質ポリシリコン層５の表面上に、蒸着法もしくはスパッタ法等によって金からなる薄膜を約１０ｎｍの厚みで形成して加速電極６を形成して電子放出素子１１が形成される。最後に、駆動電源２０をベース電極２および加速電極６とそれぞれ電気的に接続することによって、本発明の電子放出装置１０が形成される。
【００４５】
なお、上記においては、加速電極６の材料として金を用いたが、アルミニウム等を用いてもよい。
【００４６】
また、本発明においては、加速電極６に印加される電圧の波形を、図８に示すような正弦波形とすることもできる。このとき、正弦波の基準電位は、必ずしも０Ｖである必要はない。また、負電圧の大きさの絶対値が、電子放出素子１１の電子放出開始電圧の大きさの絶対値の１．５倍以上であるという条件を満たすのであれば、直流成分が重畳されていてもよい。具体的には、１Ｈｚ、波高値１８Ｖの正弦波形の電圧を印加することで、より安定した電子の放出が可能となった。
【００４７】
さらに、本発明の別の実施の形態による電子放出装置の一部の模式的な斜視図を図９に示す。
【００４８】
この電子放出装置１０は、互いに電気的に接続されていない加速電極６ａと加速電極６ｂの２個の加速電極を有することを特徴とする。加速電極６ａ、６ｂは、それぞれ電子放出装置１０の長手方向に平行に設置されている。ここで、図示しない電源により、加速電極６ａに正電圧が印加されているときには加速電極６ｂに負電圧が印加され、加速電極６ｂに正電圧が印加されているときには加速電極６ａに負電圧が印加される。すなわち、加速電極６ａと加速電極６ｂとには、それぞれ極性の異なる電圧が交互に印加される。
【００４９】
このようにすることで、加速電極６ａに正電圧が印加されているときには、加速電極６ａから電子を放出しながら、加速電極６ｂの下部の多孔質ポリシリコン層５内で捕捉されている電子を除去することができる。また、加速電極６ａに負電圧が印加されているときには、加速電極６ａの下部の多孔質ポリシリコン層５内で捕捉されている電子を除去しながら、加速電極６ｂから電子を放出することができる。これらの動作を交互に繰り返して行なうことによって、連続的に電子を放出させることができるため、被帯電体の表面上に均一に電子を帯電させることができるのである。
【００５０】
なお、上部電極は、上記のように２個に限らず、４個または６個のように偶数個設置されてもよい。上部電極の数を増加させた場合には、被帯電体の表面上の帯電分布の均一化に有効であり、また電子放出装置１０を余裕をもって駆動することができることから、電子放出装置１０の延命にも有用である。
【００５１】
上述したような本発明の帯電装置１および電子放出装置１０は、長期間安定して駆動可能であることから、特に電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に好適に用いられる。
【００５２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００５３】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、長期間安定して駆動可能な電子放出装置とこれを用いた帯電装置とその帯電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の帯電装置の好ましい一例の模式的な概念図である。
【図２】本発明の実験において用いられた電子放出装置と対向電極の模式的な概念図である。
【図３】本発明の電子放出装置の大気圧中における印加電圧と電子放出電流量との関係を示した図である。
【図４】加速電極に正電圧を連続して印加し続けたときの経過時間に対する電子放出電流量の推移を示した図である。
【図５】加速電極に正電圧と負電圧とを交互に印加させたときの経過時間に対する電子放出電流量の推移を示した図である。
【図６】本発明の電子放出装置の加速電極に印加される電圧の波形の一例を示した図である。
【図７】本発明の電子放出装置の加速電極に印加される印加電圧に対するダイオード電流量の推移を示した図である。
【図８】本発明の電子放出装置の加速電極に印加される電圧の波形の他の例を示した図である。
【図９】本発明の他の実施の形態による電子放出装置の一部の模式的な斜視図である。
【符号の説明】
１  帯電装置、２  ベース電極、３  ｎ型シリコン層、４  ポリシリコン層、５  多孔質ポリシリコン層、６，６ａ，６ｂ  加速電極、７  感光体、８  導電性支持基板、９  対向電極、１０  電子放出装置、１１  電子放出素子、１２  電子放出面、２０  駆動電源、２１  バイアス電源。
【図１】
2005005205.tif 000003
【図２】
2005005205.tif 000004
【図３】
2005005205.tif 000005
【図４】
2005005205.tif 000006
【図５】
2005005205.tif 000007
【図６】
2005005205.tif 000008
【図７】
2005005205.tif 000009
【図８】
2005005205.tif 000010
【図９】
2005005205.tif 000011