(57)【要約】【課題】電子写真方式において、良好な画像出力を得るためには、感光体上の静電潜像の品質を評価することが欠かせない。感光体の静電潜像を測定して、設計にフィードバックすることにより、各工程のプロセスクォリティを向上させ、高画質、高耐久、高安定等を実現できるが、静電潜像は、測定が極めて困難で、実使用上全く測定できていない。【解決手段】電子銃１から発生された電子ビームＢは、電子的なコンデンサレンズ２で収束されて、走査レンズ４、対物レンズ５を経て試料６の帯電領域内を走査する。導体７に与えられた裏面電位Ｖｇと加速電圧との関係で試料６には所望の帯電電位が生成される。ＬＤ等の光源１０から出た光ビームＬはコリメートレンズ１１、シリンダレンズ１３等を経て試料６に照射され、試料６上に静電潜像を作る。光照射をやめ、再度条件を変えて電子ビーム走査を行うと、電荷検出器に、潜像に対応した出力が得られる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して電子あるいはマイナスイオンなどの負の荷電粒子を照射することによって、前記試料上に帯電電荷を生成させる帯電装置であって、前記試料を帯電させる面と反対側の面（以下裏面と称す）が接地状態であるときに２次電子放出比が１となる電子の加速電圧をＥ０（＞０）、前記荷電粒子を加速させるための電圧をＥ１（＞０）、前記裏面にかける裏面電位をＶｇとしたときに、
Ｅ１＞Ｅ０−Ｖｇ
の条件で前記試料に所望の負の帯電電位を形成することを特徴とする帯電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の帯電装置において、前記所望の帯電電位をＶｓとするとき、前記試料に対して
｜Ｅ１−Ｅ０＋Ｖｇ｜≧｜Ｖｓ｜
の条件を満たす裏面電位Ｖｇを与えることを特徴とする帯電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の帯電装置において、前記裏面電位Ｖｇはさらに、
｜Ｅ１−Ｅ０＋Ｖｇ｜≦｜Ｖｓ｜＋２ｋＶ
を満たすことを特徴とする帯電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の帯電装置において、前記帯電電荷の生成は真空中で行うことを特徴とする帯電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１つに記載の帯電装置において、前記帯電電荷の生成終了後、前記裏面電位Ｖｇを接地状態に設定することを特徴とする帯電装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載の帯電装置において、前記裏面電位Ｖｇは、前記試料に対し、空間的に相異なる値に設定する手段を有することを特徴とする帯電装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の帯電装置と、露光光学系とを有し、該露光光学系により前記帯電された試料の面に光を照射して該試料の面に電荷分布による静電潜像を形成させることを特徴とする静電潜像形成装置。
【請求項８】
請求項７に記載の静電潜像形成装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
請求項７に記載の静電潜像形成装置において、前記試料面を電子ビームで走査することによって該試料面の静電潜像を測定する測定手段を有することを特徴とする静電潜像測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の静電潜像測定装置において、前記測定手段は前記試料からの放出電子を検出することを特徴とする静電潜像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真プロセスにおける静電潜像の形成装置および静電潜像の測定装置に関する。さらに、誘電体試料の表面電位分布、表面電界分布、表面電荷分布の測定方法及び装置にも応用できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
複写機やレーザープリンタといった電子写真方式における出力画像を得るためには、各工程それぞれでのプロセスファクターやプロセスクオリティが最終的な出力画像品質に大きく影響を与える。さらに近年では、高画質に加えて、高耐久、高安定、さらに省エネルギー化など環境に優しい作像プロセスの要求が高まり、各工程のプロセスクォリティを向上させる必要がある。作像プロセスにとっては、露光に伴う感光体上の静電潜像が、トナー粒子の挙動に直接影響を与えるファクターであり、その挙動を把握することが必要である。このため、感光体上の静電潜像の品質を評価する事は、極めて重要である。
感光体の静電潜像を測定して、設計にフィードバックすることにより、各工程のプロセスクォリティが向上するため、その結果、高画質、高耐久、高安定、さらに省エネルギー化の実現が期待できる。
しかしながら、静電潜像は、測定することが極めて困難というよりは、実使用上全く測定できていないのが現状である。
【０００３】
電子ビームによる静電潜像の観察方法としては、特許文献１などがあるが、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、暗減衰を生じる通常の感光体は、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、本発明者は、荷電粒子ビームを照射して、測定を行う装置内で静電潜像を形成する手段を持ち、潜像形成後の短い時間内に測定を行うことにより、静電潜像分布を測定できるようにした（例えば、特許文献２  参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０３−４９１４３号公報
【特許文献２】特開２００３−２９５６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に示した方式では帯電電位を制御するためには、入射電子の加速電圧を変える必要があるが、加速電圧を細かいステップで制御することが難しい。また、高い帯電電位を生成するためには、設定電圧を上げる必要があり、大きな消費電力を必要とする。また、静電潜像測定時においては、帯電電位が異なると観察時の加速電圧も変えなければならないなどの課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、試料に対して電子あるいはマイナスイオンなどの負の荷電粒子を照射することによって、前記試料上に帯電電荷を生成させる帯電装置であって、前記試料を帯電させる面と反対側の面（以下裏面と称す）が接地状態であるときに２次電子放出比が１となる電子の加速電圧をＥ０（＞０）、前記荷電粒子を加速させるための電圧をＥ１（＞０）、前記裏面にかける裏面電位をＶｇとしたときに、
Ｅ１＞Ｅ０−Ｖｇ
の条件で前記試料に所望の負の帯電電位を形成することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の帯電装置において、前記所望の帯電電位をＶｓとするとき、前記試料に対して
｜Ｅ１−Ｅ０＋Ｖｇ｜≧｜Ｖｓ｜
の条件を満たす裏面電位Ｖｇを与えることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の帯電装置において、前記裏面電位Ｖｇはさらに、
｜Ｅ１−Ｅ０＋Ｖｇ｜≦｜Ｖｓ｜＋２ｋＶ
を満たすことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の帯電装置において、前記帯電電荷の生成は真空中で行うことを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の帯電装置において、前記帯電電荷の生成終了後、前記裏面電位Ｖｇを接地状態に設定することを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の帯電装置において、前記裏面電位Ｖｇは、前記試料に対し、空間的に相異なる値に設定する手段を有するを特徴とする。
【０００９】
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の帯電装置と、露光光学系とを有し、該露光光学系により前記帯電された試料の面に光を照射して該試料の面に電荷分布による静電潜像を形成させることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の静電潜像形成装置を用いたことを特徴とする。
【００１０】
請求項９に記載の発明では、請求項７に記載の静電潜像形成装置において、前記試料面を電子ビームで走査することによって該試料面の静電潜像を測定する測定手段を有するあることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の静電潜像測定装置において、前記測定手段は前記試料からの放出電子を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、裏面電位Ｖｇを適切に設定することで、試料を効率よく所望の電位に帯電させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の実施例を示す図である。
同図において符号１は電子銃、２はコンデンサレンズ、３はビームブランカ、４は走査レンズ、５は対物レンズ、６は感光体等の試料、７は導体、１００は荷電粒子照射部、２００は試料設置部、Ｂは電子ビームあるいはイオンビームをそれぞれ示す。
本実施例は、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子照射部１００と、試料設置部２００からなる。
ここでいう、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。
以下電子ビームを照射する実施例で説明する。
電子ビーム照射部１００は電子ビームを発生させるための電子銃１と、電子銃１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２と電子ビームをＯＮ／ＯＦＦさせるためのビームブランカ３（図示せず）と、電子ビームで帯電領域内を走査させるための走査レンズ４と走査レンズを再び集光させるための対物レンズ５などの電子光学系からなる。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、ビーム径が帯電領域に相当する場合には、走査レンズ４はなくても良い。
試料を帯電させる面と反対側の面には電位Ｖｇを印加可能な構成となっている。電子光学系及び試料部は、電子が正確な軌道を進むように真空内に配置する。
【００１３】
感光体試料６に電子ビームＢを照射させる。加速電圧Ｅ１（＞０）は、２次電子放出比δが１となる加速電圧Ｅ０（＞０）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試料に蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、試料６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。
ここで、２次電子放出比δは、
δ＝放出電子／入射電子
と表すが、より厳密にいうと、透過電子と反射電子を考慮する必要があるので、
放出電子＝透過電子＋反射電子＋２次電子
とするとよい。なお、試料下面が接地（ＧＮＤ）のとき、試料の２次電子放出比が１となる電子の加速電圧をＥ０とする。Ｅ０は帯電開始電圧に相当する。
【００１４】
図２は加速電圧と帯電の関係を示す図である。
図３は電子ビームの照射時間と帯電電位の関係を示す図である。
図４は加速電圧と帯電電位の関係を示す図である。
２次電子放出比δは、電子ビームのエネルギー、すなわち加速電圧に依存し、一般的に図２のような関係になっている。δ＝１となる加速電圧Ｅ１（＞０）では、帯電が起きず、平衡状態を保っている。加速電圧Ｅ１＞Ｅ０の場合には、δ＜１となり、入射電子数に比べ放出電子数が少ないため、負帯電となる。
加速電圧と照射時間の関係を図３に示す。電子ビーム照射直後は、急激に電荷が蓄積されていくが、時間の経過に従い、試料の負帯電電位の影響で入射電子が減速される。表面の電位ポテンシャルＶｐ（＞０）における、電子の表面到達時の速度（ランディング速度）をｖ、電子の質量、電荷量をそれぞれｍ、ｅとすると、
ｖ＝｛２ｅ（Ｅ１＋Ｖｐ）｝｝１／２    (１）
と近似的に表すことできる。従って電荷蓄積（負帯電）に伴い、ランディング速度が減少して、単位時間あたりの電荷蓄積量が減少し、Ｅ１＋Ｖｐ＝Ｅ０すなわち、
Ｖｐ＝Ｅ０−Ｅ１    （２）
の条件になると、平衡安定状態に達して、これ以上帯電しない状態すなわち、飽和帯電電位Ｖｄに達する。加速電圧の飽和帯電電位の関係の一例を図４に示す。
【００１５】
表面の電位ポテンシャルＶｐは、試料表面電荷密度Ｑｓによって生じる電位Ｖｓと試料電荷蓄積面と反対面の電位Vgの和すなわち
Ｖｐ＝Ｖｓ＋Ｖｇ    （３）
で表すことができる。
但し、Ｖｓ＝Ｑ／Ｃ＝ｄ／（Ｓ×ε’×ε０）×Ｑｓ
ε’：比誘電率、ε０：真空の誘電率、Ｑ：電荷蓄積量、Ｓ：単位面積、ｄ：試料厚
ここでは、試料の特性値が一定と考えて良いから、
Ｖｓ ∝ Ｑｓ の関係が成立する。
【００１６】
図５は本発明による測定結果を示す図である。
試料下部や背面などに電圧Ｖｇを印加し、制御することで、試料表面電荷密度Ｑｓによって生じる電位Ｖｓを制御することが可能となる。
同図は、加速電圧を１．５ｋＶで一定とし、試料下面の電位Ｖｇを変えたときの飽和帯電電位の測定結果である。測定結果時は、Ｖｇ＝０Ｖにしている。単位は（−Ｖ）である。Ｖｇ＝０Ｖのとき、電位は−５５０Ｖであり、この結果この試料のＥ０＝−９５０Ｖである。Ｖｇをプラス側に変化させると、入射電子が相対的に加速されて帯電しやすくなり、電荷蓄積量が増大し、帯電電位がマイナス方向に上昇する。また、Ｖｇをマイナス側に変化させると、入射電子が相対的に減速されて帯電しにくくなり、電荷蓄積量が減少し、帯電電位が下がる。また、帯電電位と印加電圧の関係は、近似的に以下の関係式が成立する。
飽和帯電電位Ｖｄ（−Ｖ）
＝加速電圧Ｅ１（Ｖ）−帯電開始電圧Ｅ０（Ｖ）＋印加電圧Ｖｇ（Ｖ）    （４）
従って、従来のＶｇ＝０であれば、１．５ｋＶの加速電圧で最大−５５０Ｖ迄しか帯電できなかった試料でも、Ｖｇ＝３００Ｖの電圧を印可することで、−８５０Ｖ迄帯電させることが可能である。Ｖｇをさらに高電圧を印可することで、さらに高帯電電位を得ることができる。
【００１７】
電荷蓄積量は図３のように時間と共に変化するので、Ｖｇと帯電時間を制御することで、  ｜Ｅ１−Ｅ０ +Ｖｇ｜≧｜Ｖｓ｜
の条件を満たす帯電電位Ｖｓを得ることが可能である。
従来に比べて、加速電圧が低く抑えることができるので、消費電力が少なく環境にやさしい特徴があり、なおかつ制御も容易である。
加速電圧が大きくなると目標とする帯電電位に到達する時間が短くなるので制御することが難しくなるだけでなく、試料へのダメージも無視できなくなる。したがって、なるべく小さい加速電圧で、所望の帯電電位を形成できる条件が望ましく、
｜Ｖｓ｜≦｜Ｅ１−Ｅ０ ＋Ｖｇ｜≦｜Ｖｓ｜＋２ｋＶ    （５）
が適切である。
今回の試料（Ｅ０＝−９５０Ｖ）で、Ｖｓ＝−８００Ｖに帯電させるために、Ｖｇ＝０の場合、Ｅ１＝１．７５〜３．７５ｋＶ程度が適正範囲であるが、Ｖｇ＝７５０Ｖと設定することにより、Ｅ１＝１〜３ｋＶと低い加速電圧で実現することができる。
なお短い時間で帯電させるためには、電子ビームの電流密度を増大させればよい。
下部電圧印加による帯電手段は、大気中帯電方式でも適用可能であるが、真空中で有れば、荷電粒子が大気中粒子による干渉を受けないので、精度の高い帯電形成を行うことができる。
【００１８】
図６は潜像形成および測定の例を説明するための図である。
図７は露光光学系の一例を示す図である。
図６において符号１０は光源、１１はコリメートレンズ、１２はアパーチャ、１３はシリンダレンズ、１４は走査レンズ、１５はＬＤ制御部、１６は電荷検出器、３００は露光光学系をそれぞれ示す。
図７において符号２０は光源、２１はコリメートレンズ、２３はシリンダレンズ、２４は走査レンズ、２６は第１の折り返しミラー、２７はポリゴンミラー、２８は第２の折り返しミラー、２９は感光体ドラムをそれぞれ示す。
潜像形成手段を説明する。
感光体試料６に所定量の帯電後、露光光学系３００により感光体試料６に露光を行う。
露光光学系３００は、所望のビーム径及びビームプロファイルを形成するように調整されている。感光体試料６の感度域の波長を有するＬＤ（レーザ  ダイオード）などの光源１０、コリーメートレンズ１１、アパーチャ１２、シリンダレンズ１３、走査レンズ１４などからなり、試料６上に所望のビーム径、ビームプロファイルを生成する。ＬＤ制御部１５により適切な露光時間、露光エネルギーを照射できるようになっている。
図７に示すように、ポリゴンミラー２７を用いたスキャニング機構を付けることにより、感光体ドラム２９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。
これにより、感光体試料に静電潜像を形成することができる。
【００１９】
感光体試料の静電潜像に条件を変えて再度電子ビームで走査し、放出される２次電子を電荷検出器（シンチレータ）１６で検出し、電気信号に変換して電位コントラスト像を測定する。
試料表面に電荷分布があると、空間に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１６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。露光した場合には、露光部が黒、非露光部が白となる。従って、電子ビームが試料面を走査してそれによって信号検出することにより、形成された静電潜像を測定することができる。
検出器上での信号強度は、設定条件により変化する場合には補正しても良い。また、事前にキャリブレーションしてもよい。また、２次電子の代わりに、反射電子を検出しても良い。
測定終了後は、ＬＥＤなど用いて、試料面全体を照射することにより、残留電荷を除去することができる。
図６に本発明の制御部の構成を示す。
【００２０】
図８は円筒形状の感光体の静電潜像を測定する実施例を説明するための図である。
チャンバ内には、円筒形状の感光体試料２９と、感光体試料の周辺には電荷を照射させるための帯電部３０、電荷分布を形成させるための露光部３１、電荷を消去するための除電部３２がある。
感光体２９には、感光体中心軸に対して回転可能な、駆動手段が取り付けられている。駆動手段としては、ステッピングモータ、ＤＣサーボモータなどがある。
帯電部３２の帯電手段としては、電子ビーム照射による帯電や、接触帯電など、電荷注入帯電などがある。
除電部としては、ＬＥＤなどがある。
【００２１】
この場合の動作としては、
１．帯電部において、感光体の内側、すなわち帯電表面と反対側の電圧Ｖｇを印加可能な構成となっており、Ｖｇの電圧を印可した状態で、感光体表面が所望の電位となるように感光体を均一に帯電させる。
２．感光体下部電極の印加電圧を接地状態（ＧＮＤ）に設定する。
３．露光部において、感光体に光を照射して、部分的に電荷を逃がし、静電潜像を形成する。
４．測定部において、感光体試料を電子ビームで走査し、放出される電子をシンチレータで検出し、電気信号に変換して電位コントラスト像を観察する。
５．除電部において、ＬＥＤなどを照射することにより感光体上の残留電荷を消す。
このような方法を用いることにより、円筒形状であっても感光体の静電潜像を測定することが可能である。
なお、感光体下部電極の印加電圧を接地状態（ＧＮＤ）に設定しているが、像形成手段によっては電圧を印加したままでも良い。
【００２２】
図９は他の実施例を説明するための図である。
同図において符号Ｐは対向電極を示す。
誘電体部である感光体ドラム２９が回転し、印加する導電部は、固定となるので、各印加プロセス毎に、対向電圧を設けることにより、独立した電圧を印加することができる。
対向電極Ｐは感光体の周辺装置に対応して固定にしておく。
図１０はさらに他の実施例を説明するための図である。
同図において符号ｐは対向電極をなす導体部を示す。
内側の導体部ｐと導体部ｐの間に絶縁部の隙間を設けることにより、各プロセスに独立した所望の電圧を印加する事を可能としたものである。この場合は、導体部ｐは、周辺装置に対応させて固定しておいても良いし、感光体と一体になって回転させても良い。
図１１はさらに他の実施例を説明するための図である。
図１２、１３は帯電手段を説明するための図である。図１２はコロトロン帯電器、図１３はスコロトロン帯電器をそれぞれ示す図である。
図１４は通常の画像形成装置に用いられる感光体周辺装置を示す図である。
大気中で帯電させて、差動排気機構を利用し、真空内で潜像を測定している。大気中帯電手段としては、コロナ放電を利用することができ、図１２、１３のようにコロトロン帯電やスコロトロン帯電なども利用することができ、これに下部に電圧を印加させることにより、上記と同じ効果を得ることができる。この場合、オゾンの発生量も少なく、環境にやさしい。なお、この帯電方式を、図１４に示すような通常の画像形成装置として適用してもよい。
【００２３】
試料が誘電体で有れば、潜像形成ユニットは、静電記録方式など、電荷分布を直接形成する方式であってもよい。試料が感光体の場合には、潜像形成ユニットは、帯電ユニットと露光ユニットからなる方式とであってもよい。
また試料が、円筒形状の感光体を測定する場合は図１１のような構成をとることができる。
このような方法を用いることにより、実使用環境に近い状態で感光体の静電潜像を測定することが可能となる。またプロセススピードに相当する数百ｍｓ以下の静電潜像の分布状態を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例を示す図である。
【図２】加速電圧と帯電の関係を示す図である。
【図３】電子ビームの照射時間と帯電電位の関係を示す図である。
【図４】加速電圧と帯電電位の関係を示す図である。
【図５】本発明による測定結果を示す図である。
【図６】潜像形成および測定の例を説明するための図である。
【図７】露光光学系の一例を示す図である。
【図８】円筒形状の感光体の静電潜像を測定する実施例を説明するための図である。
【図９】他の実施例を説明するための図である。
【図１０】さらに他の実施例を説明するための図である。
【図１１】さらに他の実施例を説明するための図である。
【図１２】帯電手段を説明するための図である。
【図１３】帯電手段を説明するための図である。
【図１４】通常の画像形成装置に用いられる感光体周辺装置を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      電子銃
２      コンデンサレンズ
４、１４、２４      走査レンズ
６      試料
１０、２０      光源
１１、２１      コリメートレンズ
１５      ＬＤ制御部
２７      ポリゴンミラー
２９      感光体ドラム
【図１】
2005283625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005283625.tif 000011
【図１０】
2005283625.tif 000012
【図１１】
2005283625.tif 000013
【図１２】
2005283625.tif 000014
【図１３】
2005283625.tif 000015
【図１４】
2005283625.tif 000016