(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被帯電体に対向して配置され、素子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と、
電気的負性気体を含む気体を導入する手段と、
前記電子放出素子により放出された電子と電気的負性気体分子により発生した負イオンを制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、被帯電体と電子放出素子間の電界をバイアス電源により制御する構成の電荷発生装置において、
前記電子放出素子は、
絶縁体からなる平板状の基板と、
前記基板上に形成された電極（以下、基板電極と言う）と、
前記基板電極の上に形成された半導体層と、
前記半導体層の上に形成され絶縁層に覆われた多孔質半導体層と、
前記多孔質半導体層の上に形成され前記被帯電体との間の空間に面する薄膜電極層と、
により形成され、前記基板電極と前記薄膜電極層間に電圧を印加することにより、前記薄膜電極層の表面から電子が放出される構成であり、
前記電子放出素子と前記被帯電体との間の空間に、前記電気的負性気体を充填し、
前記薄膜電極層より放出された電子により前記電気的負性気体をイオン化し、
該イオン化された気体のうち負イオンを、前記制御手段により制御された電界により前記被帯電体側に到達させ、前記被帯電体をマイナスに帯電させることを特徴とする電荷発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の電荷発生装置において、
前記電気的負性気体として、酸素、水蒸気、ハロゲンガス、ＳＦ６、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＳＯ３、ＨＮＯ３、Ｎ２Ｏ５のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いたことを特徴とする電荷発生装置。
【請求項３】
請求項１記載の電荷発生装置において、
前記電気的負性気体として、酸素、水蒸気、二酸化炭素のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いたことを特徴とする電荷発生装置。
【請求項４】
被帯電体を帯電する帯電装置において、
請求項１〜３のうちの何れか一つに記載の電荷発生装置を備え、該電荷発生装置の電子放出素子から放出される負イオンにより被帯電体を帯電させることを特徴とする帯電装置。
【請求項５】
被帯電体である像担持体上に静電画像を形成し、該静電画像を現像して可視像化した後、該可視像を転写材に転写し、画像を形成する画像形成装置において、
被帯電体である像担持体を均一に帯電する手段、または、像担持体上に静電画像を形成する手段、もしくは、像担持体上の可視像を転写材に転写する手段、あるいは、像担持体を除電する手段として、請求項１〜３のうちの何れか一つに記載の電荷発生装置、あるいは、請求項４記載の帯電装置を具備することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子放出によって電荷を発生する電荷発生装置、及びその電荷発生装置を用いて被帯電体を帯電する帯電装置、及びその電荷発生装置あるいは帯電装置を用いた複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の電子写真方式の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＬ規格、ＴＵＶ規格、ＢＡＭ規格など、複数の国、地域で複数の団体により電子写真方式の画像形成装置に対して、発生するオゾン量を規制するための規格が設定されている。
また、画像形成装置においては、帯電装置の放電により発生する窒素酸化物（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】
従来、複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられ、被帯電体である感光体を帯電する帯電装置には、コロナ帯電器、ローラ帯電器、ブラシ帯電器、固体帯電器等がある。
この内、コロナ帯電器は、最も多く利用されている帯電方式である。しかし、コロナ帯電器は、気中でのコロナ放電を利用した非接触帯電方式のため、非常に多くのオゾン及びＮＯX を発生するという問題がある。
そこでこの問題を解決するため、例えば、オゾンの発生量を低減するようにしたコロナ帯電器が特開平９−１１４１９２号公報に記載されている。このコロナ帯電器は、非常に細い４０〜５０ミクロン（μｍ）のワイヤを用いて放電を行うことによりオゾンの発生量を５０％以下に低減している。
また、特開平６−３２４５５６号公報には、ワイヤの３方を囲むように配置された金属筐体と、その開放部近傍に配置された金属メッシュ電極とを有し、ワイヤから発生したオゾンを閉じ込め、オゾン分子の衝突確立を高めることにより、放出されるオゾン量の低減を計るコロナ帯電器が記載されている。
さらに、コロナ帯電器等の帯電装置により発生したオゾンを低減する方法の一つとして、オゾン吸着剤を用いる方法が知られており、このオゾン吸着剤は、帯電装置により発生したオゾンを活性炭などの触媒機能により酸化したり、表面に吸着させたりするのに用いられている。
【０００４】
一方、ローラ帯電器は、古くは特開昭５６−９１２５３号公報に記載されており、近年、盛んに検討されている接触帯電方式の一つである。このローラ帯電器は、帯電したローラを被帯電体に接触させて帯電を行う方式のため、オゾンの発生を非常に少なくでき、有望視されている。
また、ブラシ帯電器は、特公昭５５−２９８３７号公報等に記載されており、接触帯電方式の一つである。このブラシ帯電器は、帯電したブラシを被帯電体に接触させて帯電を行う方式のため、オゾンの発生を非常に少なくできる。
【０００５】
固体帯電器は、古くは特開昭５４−５３５３７号公報等に記載されたものがある。また、特開平５−９４０７７号公報には、絶縁部材上に放電電極を、微小間隔を介して多数併設する装置が記載されている。
さらに、特開平６−７５４５７号公報には、帯電器と被記録体との間隔を５００〜３０００μｍに設定することにより、イオンの飛距離を短くしてオゾンの拡散を抑制すると共に、トナーなどの付着を防止するものが記載されている。
特開平９−２４４３５０号公報には、板状基板上の放電電極と、その外周に配設した沿面グロー放電手段と、帯電器全体を覆うカバーを備えた放電装置が記載されている。
特開平９−１１５６４６号公報には、平面型固体放電装置において電極材料に特定の仕事関数の材料を用いることによりＮＯX の低減を図ることが記載されている。
【０００６】
さらに、新規な帯電方式を用いたものとして、特開平８−２０３４１８号公報には、ライン電極表面にＰ−Ｎ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して誘電体上に潜像を形成する静電潜像形成装置が記載されている。
また、特開平８−１３７２１５号公報には、電荷発生制御素子を１次元あるいは２次元に配列して形成した電荷発生器において、上記電荷発生制御素子の電荷放出部材を備えた電荷発生部を素子の最表面に形成すると共に、電荷発生制御素子を素子の下部に形成したことを特徴とする電荷発生器が記載されている。
さらにまた、特開平９−９２１３０号公報には、電荷発生制御素子を１次元あるいは２次元に配列して形成した電荷発生器において、上記電荷発生制御素子を半導体基板上に形成すると共に、該電荷発生制御素子の電荷放出部をＰ−Ｎ接合を有するダイオードで構成し、該ダイオードに逆バイアスを印加することによって電子もしくは電荷を放出するように構成したことを特徴とする電荷発生器が記載されている。
さらにまた、特開２０００−４７４５７号公報には、軟Ｘ線による電離を用いた帯電装置が開示されており、Ｘ線のエネルギーによる気体の電離作用によりイオンを生成させ、帯電に応用している。この方式では、放電を伴なわないため、放電により発生する化合物を低減することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の帯電装置（帯電方式）のうち、コロナ帯電器は、非常に多くのオゾン及びＮＯX を発生する。このため特開平９−１１４１９２号公報や特開平６−３２４５５６号公報に記載されているようなオゾン量を低減させるようにしたコロナ帯電器では、せいぜい５０％程度のオゾン量の低減しか出来ず、オゾン吸着剤等の併用が必要であった。
また、オゾン吸着剤を併用した場合、オゾン量を低減することはできるが、オゾン吸着剤は、経時劣化が生じるためにオゾンフィルタの交換やメンテナンスが必要であり、コストがかかるという問題がある。
【０００８】
ローラ帯電器は、接触帯電方式のためオゾンの発生を非常に少なくできるが、帯電が不均一になりやすく、また、電子写真方式の画像形成装置に用いた場合、ローラ表面のトナー汚染、ローラに印加するバイアス交流による振動、画像のモワレなどが生じやすいという問題がある。また、ローラ帯電器は回転体であり、ローラ表面のクリーニングが必要になるために部材が多く、製造コストがかかるという問題があり、その他にもローラ帯電器には、感光体の感光層が絶縁破壊されてピンホールが発生しやすくなったり、振動音、可塑剤等による帯電ローラ跡、ローラの永久変形等が生じやすいという問題がある。
ブラシ帯電器は、接触帯電方式のためオゾンの発生を非常に少なくできるが、筋状帯電むらや環境変動による帯電むらが発生しやすく、また、低温ストリーマ放電、白斑点、感光体磨耗、磨耗感光体の蓄積、ブラシの抜け等の発生や、感光体傷に対する異常放電に起因するブラシの溶融などの欠点がある。
さらに、固体帯電器では、装置を小型化できるなどの利点はあるものの、放電面積が広く、期待するほどオゾンやＮＯX などの不快物質の低減は出来ていない。
【０００９】
前述の電荷発生器や、それを用いた静電潜像形成装置においては、一画素単位で駆動する構成の素子であるため、逆に均一帯電による電子写真プロセスへの適用が困難であること、駆動装置等の装置構成全体が煩雑になることなどの欠点を有している。
また、感光体等の被帯電体に対向させて動作させる必要があるため、被帯電体に印加するバイアス電圧がパッシェン則における放電しきい値よりも高い場合には、電荷発生器と被帯電体の間の空間で放電破壊が起こり、結局オゾンやＮＯX などが発生してしまうという欠点も有している。例えば、引き出し電極と電子発生素子表面間の電位差が６０Ｖで１０μｍであると６×１０6Ｖ／ｍ以上の部分が１０μｍあることになり、放電が発生する可能性がある。その上、電子放出面に被帯電体や周囲の雰囲気からの粒子やイオンが付着してしまうため、安定な動作が出来ないという不具合がある。特にエレクトロルミネッセンス材料からなる電子放出素子層の場合には、同時に起こる発光が被帯電体に入射することにより、電子写真用感光体を帯電させる際に帯電電位の低下が起こってしまうという問題がある。
また、前述の軟Ｘ線による電離を用いた帯電装置の場合、Ｘ線は放射線の一種であるため遮蔽を十分にする必要があることと、高圧が必要なため電源装置が高価となる欠点がある。
【００１０】
本発明は上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、オゾン及びＮＯX 等の放電生成物の発生防止や異常放電の防止を図ることができ、装置の長寿命化、帯電効率の向上、帯電能力の安定性向上等を図ることができる電荷発生装置、及びその電荷発生装置を用いて被帯電物を帯電する帯電装置、及び上記電荷発生装置あるいは帯電装置を用いた画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１１】
より詳しく述べると、請求項１に係る発明は、帯電時の放電による化合物の発生を抑制することができ、且つ火花放電等の防止及び帯電安定性を図ることができる電荷発生装置を提供することを目的とする。
請求項２に係る発明は、帯電時の放電による化合物の発生を抑制することができ、且つ火花放電等の防止及び帯電効率の向上を図ることができる電荷発生装置を提供することを目的とする。
請求項３に係る発明は、帯電時の放電による化合物の発生を抑制することができ、特に放電により発生するＮＯＸに起因する物質が像担持体等の被帯電体に付着し吸湿することを防止することができる電荷発生装置を提供することを目的とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、オゾン及びＮＯＸ 等の放電生成物の発生防止や異常放電の防止を図ることができ、装置の長寿命化、帯電効率の向上、帯電能力の安定性向上等を図ることができる帯電装置を提供することを目的とする。
請求項５に係る発明は、オゾン及びＮＯＸ 等の放電生成物の発生防止や異常放電の防止を図ることができ、装置の長寿命化、帯電効率の向上、帯電能力の安定性向上等を図ることができる電荷発生装置あるいは帯電装置を用い、ＵＬ規格、ＴＵＶ規格、ＢＡＭ規格などの規格を満たすことのできる画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る電荷発生装置及び帯電装置及び画像形成装置は以下のように構成した。
請求項１に係る発明は、被帯電体に対向して配置され、素子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と、電気的負性気体を含む気体を導入する手段と、前記電子放出素子により放出された電子と電気的負性気体分子により発生した負イオンを制御する制御手段を有し、前記制御手段は、被帯電体と電子放出素子間の電界をバイアス電源により制御する構成の電荷発生装置において、前記電子放出素子は、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板上に形成された電極（以下、基板電極と言う）と、前記基板電極の上に形成された半導体層と、前記半導体層の上に形成され絶縁層に覆われた多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層の上に形成され前記被帯電体との間の空間に面する薄膜電極層と、により形成され、前記基板電極と前記薄膜電極層間に電圧を印加することにより、前記薄膜電極層の表面から電子が放出される構成であり、前記電子放出素子と前記被帯電体との間の空間に、前記電気的負性気体を充填し、前記薄膜電極層より放出された電子により前記電気的負性気体をイオン化し、該イオン化された気体のうち負イオンを、前記制御手段により制御された電界により前記被帯電体側に到達させ、前記被帯電体をマイナスに帯電させる構成としたものである。
【００１４】
請求項２に係る電荷発生装置では、請求項１に記載の構成に加えて、前記電気的負性気体として、酸素、水蒸気、ハロゲンガス、ＳＦ6、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ2、ＳＯ2、ＳＯ3、ＨＮＯ3、Ｎ2Ｏ5のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いた構成としたものである。
また、請求項３に係る電荷発生装置では、請求項１に記載の構成に加えて、前記電気的負性気体として、酸素、水蒸気、二酸化炭素のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いた構成としたものである。
【００１８】
請求項４に係る帯電装置では、請求項１〜３のうちの何れか一つに記載の電荷発生装置を備え、該電荷発生装置の電子放出素子から放出される負イオンにより被帯電体を帯電させる構成としたものである。
【００１９】
請求項５に係る画像形成装置では、被帯電体である像担持体上に静電画像を形成し、該静電画像を現像して可視像化した後、該可視像を転写材に転写し、画像を形成するものであり、被帯電体である像担持体を均一に帯電する手段、または、像担持体上に静電画像を形成する手段、もしくは、像担持体上の可視像を転写材に転写する手段、あるいは、像担持体を除電する手段として、請求項１〜３のうちの何れか一つに記載の電荷発生装置、あるいは、請求項４記載の帯電装置を具備する構成としたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電荷発生装置及び帯電装置及び画像形成装置の構成・動作及び作用を図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
［実施形態１（請求項１，２，４の実施形態）］
図１は本発明に係る電荷発生装置を帯電装置に用いた構成例を示す構成説明図である。図１に示す電荷発生装置（帯電装置）は、絶縁体からなる基板（例えば、石英ガラス基板）２上に形成された電極（基板電極）３と、この基板電極３の上に形成された半導体層４と、半導体層４の上に形成され薄い絶縁層（薄膜絶縁層）に覆われた多孔質半導体層５と、多孔質半導体層５の上に形成され大気圧と連接する気体に満たされた空間１０に面するもう一方の電極（薄膜電極層）６とにより形成され、素子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１を有している。そして、上記空間１０に電気的負性気体を含む気体を導入する手段と、電子放出素子１により放出された電子と電気的負性気体分子により発生した負イオンを制御する制御手段を有し、この制御手段として、被帯電体７と電子放出素子１間の電界を用い、その電界は６×１０６Ｖ／ｍ以上の部分が１０μｍ以下となるようにし、前記負イオンにより被帯電体７を帯電させる構成としたものである。
【００２２】
より詳しく述べると、図１に示す構成の電荷発生装置（帯電装置）においては、半導体層４の電子放出側表面には薄い絶縁層に覆われた多孔質半導体層５が設けられており、電子放出側最表面には薄膜電極層６が形成されている。この薄膜電極層６に対し電源８により正（＋）の電圧を印加することにより、半導体層４に電子が注入される。半導体層４の最表面は薄膜絶縁層に覆われた多孔質半導体層５により高抵抗となっているため、電界強度が大きくなりここで電子が加速され、薄膜電極層６をトンネルして電子放出素子１の外部に電子ｅ-が放出される。この放出された電子ｅ-により、被帯電体７との間の空間１０に導入された大気圧の電気的負性気体がイオン化する。この際、被帯電体７側の電極７ａにはバイアス電源９により正（＋）のバイアス電圧が印加されているため、イオン化された気体のうち、負イオンが形を変えながらも負電荷を維持し、被帯電体７側に到達し、被帯電体７はマイナス（−）に帯電する。
【００２３】
このように本発明係る電荷発生装置（帯電装置）では、電子放出素子１から放出された電子を利用して負イオンを発生させるため、電荷を発生させるために放電を用いなくとも良い。そのため、イオン化のために発生する化合物を非常に少なくできる。しかしながら、被帯電体７と電子放出素子１間の電界に６×１０6Ｖ／ｍ以上の部分が１０μｍ以上存在すると、コロナ放電や火花放電が生じる可能性が出てくる。そこで図１に示す構成では、被帯電体７と電子放出素子１間の電界をバイアス電源９により制御して、６×１０6Ｖ／ｍ以上の部分が１０μｍ以下となるようにしているため、安定して被帯電体７を帯電することができる。また、電子放出素子１が、放出電流の集中による局所的な温度上昇、イオン衝撃による先端部の損傷というような問題をもたず、長寿命で安定な動作ができる。
【００２４】
ところで、上記の電気的負性気体とは、電子親和力が正の値のため負イオンを安定的に形成しうるものである。
ここで、電気的負性気体としては、酸素、水蒸気、ハロゲンガス、ＳＦ6、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ2、ＳＯ2、ＳＯ3、ＨＮＯ3、Ｎ2Ｏ5のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いることができる。
これらの気体分子は、負イオンになった場合の電子親和力が大きく電気的負性気体であるが、それでもイオン化し安定化するためには、ほとんどが閉殻分子であるため電子を捕獲するのは難しい。しかし、分子のクラスター化により負イオンになりやすいことが知られている（例えば、インターネット上のホームページ（http://dbs.c.u-tokyo.ac.jp/labs/nagata/shosai.html）等で研究報告が公開されている）。そのため、より効率的に負イオンを形成でき、これにより効率的に帯電が可能となる。特に、水蒸気、二酸化炭素、ＮＯ、ＳＯ2、酸素、の組み合わせが比較的安定である。また、文献“静電気学会誌，２３（１），ｐ．３７−４３（１９９９）”には、これらの気体の組み合わせによる負イオン変化として、開放されている大気中においての概略が示されており、その概略は図２のように示される。実際にはより複雑であるが、このような効果で効率的に帯電が可能になる。
【００２５】
次に具体的な実施例として、図１に示す構造の電子放出素子１を用いた電荷発生装置の構成にて、以下の条件で被帯電体７を帯電させた。
・基板（絶縁体）２：石英ガラス基板
・基板電極３：タングステン（Ｗ）（石英ガラス基板上に成膜）
・半導体層４：ポリシリコン
・多孔質半導体層５：シリコン（Ｓｉ）
・多孔質半導体層５を覆う薄膜絶縁層：ＳｉＯ2
・薄膜電極層６：金（Ａｕ）（厚さ約１５ｎｍ）
・被帯電体７：絶縁性ハードアルマイトコートしたアルミニウムのアルマイト側
・電源８，９：直流電源
・薄膜電極と被帯電物の間隔：1ｍｍ
【００２６】
上記の条件で被帯電体７を帯電するとき、被帯電体７と電子放出素子１間の空間１０に導入される気体として、純度４Ｎの酸素と窒素を混合して作成した合成空気と水蒸気、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ２をそれぞれ数％混合したときに、火花放電等が発生せず、このときの電荷発生装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯＸ濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯＸともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。また、電界が６×１０６Ｖ／ｍ以上になるには、通常の平行平板では相当の高圧をかけないとこの値には達しない。しかし、電荷発生装置の電子放出面上に１０μｍ程度の突起や角がある場合、数ｋＶ程度でも電界集中によってこの電界になることがある。例えば、図３に示すように、図１に示す構成の電子放出素子１の薄膜電極６上に直径１０μｍの白金のワイヤー１１を固定した場合は、５ｋＶで放電が発生し、電荷発生装置が破壊された。
【００２７】
次に本発明に係る電荷発生装置（帯電装置）の別の例を参考実施例として示す。
図４は本発明に係る電荷発生装置を被帯電体に対向して配置した状態を示す断面図である。この参考実施例は、例えば複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる帯電装置の例であり、図４において被帯電体１１６は像担持体であり、例えば円筒状の導電性基体上に光導電性の感光層を備えた構造の感光体である。図４に示す構成の帯電装置の例では、シールド１０２の負イオン生成空間部１０７内に、電子放出素子１０１を設置し、電源１０９からの電圧が印加されるようになっている。また、放出された電子のエネルギーを制御する手段としての電極１０３が電子放出素子１０１の電子放出面に対向して配備されており、この電極１０３は制御用の電源１０４に接続されている。尚、放出された電子のエネルギーを制御する手段としては、電極１０３を使用する以外に、電子放出素子１０１の電子放出面とシールド１０２の間に電源を配備し電位差を与える方法もあり、電極１０３が必要不可欠というわけではない。さらに図中の符号１０５は気体の導入路、１０６は送風ファンや圧縮気体供給手段などの気体送り込み手段であり、負イオン生成空間部１０７内に気体が送り込まれるようになっている。また、シールド１０２の負イオン生成空間部１０７の開口部は、導入された気体及び負イオンを放出するための放出口１０８を形成している。
【００２８】
次に図５は図４に示す構成の電荷発生装置（帯電装置）に用いられる電子放出素子の一実施例を示す概略断面図であり、図中の符号２１１は下部電極、２１３は上部電極である。電子放出部材２１２は、Ｐ型半導体層２１２−１と、その上部に形成されたＰ+ 型半導体層２１２−２と、更にその上部に形成されたＮ++型半導体層２１２−３とで構成されている。これらのＰ型半導体層２１２−１，Ｐ+ 型半導体層２１２−２，Ｎ++型半導体層２１２−３の材料としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、あるいはアモルファスシリコン等が挙げられる。各半導体層の膜厚とキャリア濃度は、Ｐ型半導体層２１２−１が数千Å〜数μｍで１０14〜１０16ｃｍ-3、Ｐ+ 型半導体層２１２−２が数百Åで１０16〜１０18ｃｍ-3、Ｎ++型半導体層２１２−３が数十Å〜数百Åで１０19〜１０20ｃｍ-3程度に設定される。
【００２９】
この実施例において、下部電極２１１の電位は上部電極２１３に印加されているＤＣ電位に対して数Ｖ〜数十Ｖの負の電位となっている。かかるバイアス状態においては、Ｐ型半導体層２１２−１とＮ++型半導体層２１２−３は逆バイアス状態となり、Ｐ+ 型半導体層２１２−２の領域近傍において、強電界によりアバランシェ降伏が生じる。このアバランシェ降伏は次のようにして起こる。
一つの電子がＰＮ接合の高電界によって加速（高エネルギー化）されたとすると、この電子はエネルギーが高いので共有結合の結合手を切って電子−正孔対を発生させる。発生した高エネルギーの電子はさらに別の電子−正孔対を発生させる。この現象は１０5〜１０6Ｖ・ｃｍ-1以上の高電界の時に起こる。このようにして電子−正孔対が雪崩的に増大して起こる接合の降伏現象がアバランシェ降伏である。このアバランシェ降伏により生じた高エネルギーの電子（ホットエレクトロン）がＮ++型半導体層２１２−３の表面より効率よく上部電極２１３の開口部に放出されるため、電子の放出開始電圧を大幅に低減可能な電子放出を実現することができる。
【００３０】
また、図６は図４に示す構成の電荷発生装置（帯電装置）に用いられる電子放出素子の別の実施例を示す概略断面図であり、図中の符号３０１はＰ+ 型半導体基板、３０２はＰ型半導体領域３０３を包囲するＮ+ 型半導体ガードリング、３０４はアバランシェ降伏を起こすＰ+ 半導体領域、３０５は絶縁膜、３０６はＰ+ 半導体に対するオーミック電極、３０７はショットキー障壁接合となる金属電極、３０９は電源、破線で囲まれた領域３１０は電子放出時の空乏層である。
図６において、原理的に半導体材料としては、例えばＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＳｉＣ，ＢＰ，ＡｌＮ，ダイヤモンド等が適用可能であり、特に間接遷移型でバンドギャップの大きい材料が適している。また、ショットキー障壁接合となる金属電極３０７の材料としては、Ｗの他にＡｌ，Ａｕ，ＬａＢ6 等の一般に知られている前記Ｐ型半導体に対してショットキー障壁接合を形成するものであれば良い。
【００３１】
ここで図７を用いて図６に示す実施例の電子放出素子の動作原理を説明する。Ｐ型半導体とショットキー障壁接合を形成するショットキーダイオードに逆バイアス電圧を印加することにより、Ｐ型半導体の伝導帯の底Ｅcはショットキー障壁φＢＰを形成する電極の真空準位Ｅvacよりも高いエネルギー準位とすることができ、この状態でアバランシェ降伏を起こすことにより、Ｐ型半導体においては少数キャリアであった電子を多数生成することが可能となり、電子の放出効率を高めることができる。また空乏層内の電界が電子にエネルギーを与えるために、電子がホットエレクトロンとなり、格子系の温度よりも運動エネルギーが大きくなり、ショットキー障壁接合を形成する電極へと注入される。ショットキー障壁接合を形成する電極表面の仕事関数φＷＫよりも大きなエネルギーを持った電子は、真空中へ放出される。
【００３２】
以上のような構成からなる帯電装置を用いて帯電を行う場合には、図４に示すように帯電装置の放出口１０８を被帯電体１１６に対して所定間隔開けて対向配置させて行う。この帯電装置は次のように動作する。ここで、例えば導入される気体は空気であるものとする。
図４において、電子放出素子１０１に電源１０９から電圧が印加されることにより、負イオン生成空間部１０７内において電子放出が起こる。ここで電極１０３と電子放出素子１０１の間の電界により、放出された電子のエネルギーは導入された気体の電離が起こらない低エネルギーに制御されている。また、シールド１０２の電位は、放出される電子を制御するためには、電子放出面と同電位が望ましいが、勿論これに限るものではない。
【００３３】
純度４Ｎの酸素と窒素を混合して作成した合成空気と水蒸気、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ2をそれぞれ数％混合した空気は、気体送り込み手段（ここでは送風ファン）１０６により発生する気流に従い、導入路１０５からイオン生成部１０７内へ導入され、空気中に存在する酸素分子等のエネルギー的に安定な負イオン状態を取る分子や原子への電子付着により負イオンが発生する。これに対し、窒素分子のように負イオンがエネルギー的に不安定状態をとる分子や原子は、仮に負イオンが生成しても再び電子と解離してしまい、エネルギー的に安定な負イオン状態を取る分子へ電子付着をするまで負電荷は気体中を電子の状態で移動することとなる。
【００３４】
このようにして発生した負イオンが気流と共に放出口１０８に向かって移動することにより、負イオン流が発生する。また、このとき放出口１０８と被帯電体１１６との間に、負イオン生成空間部１０７において発生した負イオン及び電子が被帯電体１１６側に向けて加速流動するような電界が形成されるよう、その被帯電体１１６側にバイアス電源１２０が印加されている。放出口１０８から外部に向かう気流、及び放出口１０８と被帯電体１１６との間の電位差により形成される電界により、放出口１０８に向けて移動した負イオン流が被帯電体１１６上に投射されることによって、被帯電体１１６が帯電される。
【００３５】
図４に示す構成の電荷発生装置においては、素子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１０１を使用するため、針状の電子放出端を持つ電界放射陰極と異なり、電子放出動作を行う際に、素子外部に強電界を必要としない。したがって放電を発生させることなく負イオン生成が可能である。
また、被帯電体１１６と電子放出部を対向させる必要がないため被帯電体１１６にバイアス電圧を印加しても素子外部の電界には影響を与えず、やはり放電は発生しない。
【００３６】
以上のように図４に示す構成の電荷発生装置においては、電子放出素子１０１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、通常のコロナ放電方式のように反応活性なラジカルが発生する箇所がないため、放電生成物として良く知られているオゾンやＮＯX の生成がほとんど起こらない。
さらに前述の針状の電子放出端を持つ電界放射陰極が抱えている、放出電流の集中による先端部の局所的な温度上昇、イオン衝撃による先端部の損傷という他の問題をも解消し、長寿命で安定な動作ができる。
【００３７】
図１あるいは図４の実施例に示す構成の電荷発生装置を用いた帯電装置において、純度４Ｎの酸素と窒素を混合して作成した合成空気と水蒸気、二酸化炭素をそれぞれ数％混合した空気を用いて、被帯電体（例えば、リコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させ、この時の帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯXともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。
【００３８】
［実施形態２（請求項３，４の実施形態）］
本実施形態では、図１に示した構成の電荷発生装置を用いた帯電装置において、電気的負性気体として、酸素、水蒸気、二酸化炭素のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いる構成としたものである。
これは、除電装置などの単純な帯電の場合は、実施形態１に示した請求項２の組み合わせでよいが、電子写真のプロセスに用いる場合には問題が生ずることがある。すなわち、ＮＯ、ＮＯ２、ＨＮＯ３などの物質は、帯電時に水分を集めた形で被帯電体に低抵抗性の部分を形成する。そのため、被帯電体が電子写真用の感光体等では画像流れなどが生じることがある。本発明の電荷発生装置（帯電装置）では、新しい化合物の発生は非常に少なくできるため、当初からこれらのガスを導入しなければ、特に放電により発生する窒素ガスと酸素からのＮＯＸに起因する物質が生ぜず、感光体に付着することを防止できる。
【００３９】
次に具体例として、純度４Ｎの酸素と窒素を混合して作成した合成空気と水蒸気、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ2をそれぞれ数％混合した空気と、それからＮＯ、ＮＯ2を除いた空気の2種類の空気を用意し、図１に示す電荷発生装置（帯電装置）の構成で、それぞれの気体を電子放出素子１と被帯電体７の間の空間１０に導入して被帯電体７を帯電した。この後、ＮＯ、ＮＯ2を含む空気で帯電した場合の被帯電体の表面を分析した結果、硝酸塩が検出された。また、ＮＯ、ＮＯ2を除いた空気で帯電した場合は、硝酸塩は検出されなかった。この硝酸塩は水と一緒になったとき表面抵抗を下げる物質であり、被帯電体が電子写真用の感光体等では画像流れなどが生じることがある。
尚、通常のコロナワイヤーを用いた帯電器で同様に帯電を行った場合、上記の２種類の気体の両方で硝酸塩が検出された。また、ローラ帯電器でも同様であった。
【００４０】
［実施形態３］
本実施形態では、図１または図４に示した構成の電荷発生装置を用いた帯電装置において、電子放出素子の電子放出面に、表面が酸化膜に覆われた金属の部分を有する構成としたものである。
具体的な実施例としては、図１に示す構成の電荷発生装置において、電子放出素子１の薄膜電極６上に、アルミニウムや、ドープ量を大きくし低抵抗化させたＳｉ、Ｍｇ等をメタルマスクを用いて線状に蒸着し、酸素プラズマにより、酸化した。次にその上にＣｓ薄膜を蒸着した後に熱処理した。この結果、単なる金の薄膜電極のものより帯電速度が１．５倍に向上した。
【００４１】
［実施形態４］
本実施形態では、実施形態１〜３のいずれか一つに記載した電荷発生装置（帯電装置）の構成に加えて、電子放出素子は２つの電極部を有し、一方の電極部を走査電極とした場合に、もう一方の電極部を複数の信号電極で構成し、該複数の信号電極を別の電位とすることができる構成としたものである。
ここで、図８、図９は本実施形態の電荷発生装置（帯電装置）の参考実施例を示す構成説明図であり、図８は電荷発生装置の電子放出素子の表面側の一部を拡大して示す要部平面図、図９は電荷発生装置を用いた帯電装置の構成説明図である。図８，９において電荷発生装置は、絶縁体からなる基板（例えば、石英ガラス基板）１２上に形成された電極１３と、この電極１３の上に形成された半導体層１４と、半導体層１４の上に形成され薄い絶縁層に覆われた多孔質半導体層１５と、多孔質半導体層１５の上に形成され大気圧と連接する気体に満たされた空間１０に面するもう一方の電極（薄膜電極）１６とにより形成され、素子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１を有している。そして、上記空間１０に電気的負性気体を含む気体を導入する手段と、電子放出素子１により放出された電子と電気的負性気体分子により発生した負イオンを制御する制御手段を有し、電子放出素子１１から放出される電子により被帯電物７を帯電させる。
この電荷発生装置においては、図８，９に示すように、電子放出素子１１の２つの電極１３，１６のうち、一方の電極１３を走査電極とし、もう一方の電極（金属薄膜電極）１６を複数の信号電極で構成し、電源１８により信号電極端子１７を介して複数の信号電極１６に印加される電圧を制御して、複数の信号電極１６を別々の電位とするものである。すなわち、図８，９に示す構成では、信号電極１６の電位を種々にすることにより被帯電物７上に階調を持った静電画像を形成することが可能となる。
【００４２】
次に具体的な実施例として、図８，９に示す構成の電荷発生装置で被帯電物７を帯電させた。尚、図９は素子構造及び走査電極と信号電極を用いた場合の電気的接合例を示し、図８は実際の電極レイアウト例を示している。直流電源１８により走査電極１３と信号電極端子１７間に２０Ｖの電圧を印加し、バイアス電源１９により素子１１と被帯電物７間に４００Ｖの電圧を印加し、信号電極（金属薄膜電極）１６と被帯電体７を１００μｍの間隔にしたときに、３００Ｖの帯電電圧を得ることができた。
また、信号電極１６と走査電極１３間の電圧のオン、オフにより静電画像のパターンを得ることができ、さらに電極間の電圧をコントロールすることにより帯電電位の分布を作ることができた。この場合、信号電極１６が正（＋）になる場合に被帯電物７を帯電できた。
素子構成の材料的な条件は、実施形態１と同じである。ただし、被帯電物７は、裏面をアルミニウムコートしたポリマー基板である。
この時、純度４Ｎの酸素と窒素を混合して作成した合成空気と水蒸気、二酸化炭素をそれぞれ数％混合した空気を用いて帯電を行ったものでは、帯電装置周辺におけるオゾン濃度およびＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯX ともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。
【００４３】
［実施形態５］
本実施形態は参考実施形態であり、実施形態１〜４のいずれか一つに記載した電荷発生装置（帯電装置）の構成に加えて、電子放出素子の電子放出面を加熱する手段を有する構成としたものである。
ここで、図１０は参考実施例を示す帯電装置の断面図であり、図４と同様の構成の電荷発生装置の内部に、電子放出素子１０１の電子放出面を加熱する手段１５０を設けたものである。
図４に示した構成の帯電装置においては、導入する気体が空気の場合、水蒸気等の生活温度範囲での低温で凝縮する気体が混在している場合がある。電子放出素子１０１が動作中は素子に流れる電流により電子放出面は室温よりも高温となりうるので上記水蒸気等の気体の影響は受けにくいが、未使用時の温度低下している電子放出面において例えば水蒸気が凝縮すると、その後の電子放出動作を著しく阻害することとなる。
そこで図１０に示す構成の帯電装置の実施例では、負イオン生成部１０７内に、電子放出素子の電子放出面を加熱する手段１５０（ここでは電熱線（ヒーター））を配備している。このため、ヒーター１５０からの輻射熱及び加熱された気体からの熱移動により、未使用時においても電子放出面の温度が帯電装置外部の気体に比べて高温となる。これにより未使用時に水蒸気などが電子放出面に凝縮して電子放出効率を低下させることを防止でき、帯電効率の向上が可能となる。
【００４４】
本実施例に示す帯電装置において、被帯電体１１６（例えば、リコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させ、この時の帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯX ともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。また、未使用時にヒーター１５０を加熱した場合と、しない場合での帯電に要する時間を比較したところ、ヒーター１５０を加熱していた方が時間が短縮されていた。
尚、本実施例においては加熱手段として電熱線（ヒーター）を使用したが、ランプの使用や、シールド１０２そのものの加熱という方法を採ることもできる。
【００４５】
［実施形態６］
次に別の参考実施形態を説明する。
図１１は参考実施例を示す図であって、先の実施形態１〜５に示した構成の電荷発生装置（例えば図４または図１０に示す構成の電荷発生装置（帯電装置））に用いられる電子放出素子の例を示す断面図である。この電子放出素子は、ｎ型Ｓｉ基板を下部電極５１３とし、その表面を熱酸化などの方法で酸化して絶縁層５１２を５ｎｍ形成し、さらにその上にスパッタリングなどの方法で、上部電極５１８としてＡｕを６ｎｍの厚さで成膜してあり、所謂ＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）構造を有している。
このＭＩＳ構造の場合には、図１２に示すように、上部電極５１８と下部電極５１３の間に電源５１４により電圧（数Ｖ〜１０Ｖ）を印加すると、ｎ型Ｓｉ基板中のフェルミ準位近傍の電子がトンネル現象により障壁を透過して絶縁層５１２の伝導帯へ注入され、そこで加速されて上部電極５１８の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなる。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極５１８の仕事関数φ以上のエネルギーを有するものは、素子外部に放出される。
【００４６】
このＭＩＳ構造の電子放出素子には様々な長所がある。まず、素子が薄膜状の単純な構造であるため大面積化が容易であり、面状電子放出素子を作成しやすい。また、上部電極４１１が平坦かつ大面積であることにより、針状の電子放出端を持つ電界放射陰極アレイ等に比べ素子外部４１０との界面状態が安定であり、また、上部電極４１１の表面が雰囲気ガスの付着により汚染して仕事関数φが変化しても電子放出特性には大きな影響がないため環境ガスの影響を受けにくい。さらに１０Ｖ程度の低電圧の印加でも電子放出動作が可能であり、高圧電源等を要しない点も大きな利点である。
【００４７】
前述の実施形態１〜５のいずれか一つに示す構成の帯電装置（例えば図４または図１０に示す構成の帯電装置）に、図１１に示す構成の電子放出素子を適用し、被帯電体（例えばリコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させ、このときの帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯX ともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。
【００４８】
［実施形態７］
次に別の参考実施形態を説明する。
図１３は参考実施例を示す図であって、実施形態１〜５に示した構成の電荷発生装置（例えば図４または図１０に示す構成の電荷発生装置（帯電装置））に用いられる電子放出素子の別の例を示す断面図である。この電子放出素子は、基板４１４上に金属膜からなる下部電極４１３を形成し、その上に絶縁層４１２を形成し、さらにその上に金属膜からなる上部電極４１１を形成してあり、所謂ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）構造を有している。
この図１３に示すＭＩＭ構造を電子放出素子として動作させたときの原理を図１４に示す。図１４において、上部電極４１１と下部電極４１３の間に電源４１７により電圧（数Ｖ〜１０Ｖ）を印加すると、絶縁膜４１２内の電界のため、下部電極４１３中のフェルミ準位近傍の電子はトンネル現象により障壁を透過し、絶縁膜４１２、上部電極４１１の伝導帯へ注入され、そこで加速されて上部電極４１１の伝導帯へ注入されホットエレクトロンとなる。これらのホットエレクトロンのうち、上部電極４１１の仕事関数φ以上のエネルギーを有するものは、素子外部４１０中に放出される。例えばＡｕ−Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ構造等において、この原理による電子放出が観測されている（応用物理，Ｖol.３２，Ｎo.８，（１９６３）ｐ５６８）。
【００４９】
上記のＡｕ−Ａｌ2Ｏ3−Ａｌ構造の電子放出素子の作製は例えば以下の方法で実施できる。まず表面を清浄化した基板４１４上に下部電極４１３としてＡｌを２０ｎｍ蒸着する。続いて陽極酸化法によりＡｌを酸化する。陽極酸化は３％酒石酸アンモニウム水溶液で４Ｖの化成電圧で行う。陽極酸化によって酸化できるＡｌの膜厚は高い精度で化成電圧に依存しているため、４Ｖの化成電圧で４ｎｍのＡｌのみ選択的に酸化できる。このようにして下部電極４１３上にＡｌ2Ｏ3で構成される絶縁膜４１２を形成できる。Ａｌの膜厚を２０ｎｍ以外に設定した場合は、化成電圧もそれに対応した電圧とすることは言うまでもない。次に絶縁膜４１２上に上部電極４１１を形成する。上部電極４１１としては、例えばＡｕを超高真空中での蒸着により１０ｎｍ形成すればよい。
尚、本実施例において、Ａｌの酸化過程を、陽極酸化法の代わりに気相酸化法を用いて行うことも可能である。すなわち、Ａｌ膜を真空槽に入れ、０.００１〜１０Ｔｏｒｒ程度の酸素を導入して基板を加熱することによりＡｌを酸化し、Ａｌ2Ｏ3からなる絶縁膜４１２を形成することができる。
【００５０】
このＭＩＭ構造の電子放出素子には様々な長所がある。まず、素子が薄膜状の単純な構造であるため大面積化が容易であり、面状電子放出素子を作成しやすい。また上部電極４１１が平坦かつ大面積のため、針状の電子放出端を持つ電界放射陰極アレイ等に比べ素子外部４１０との界面状態が安定であり、上部電極４１１の表面が雰囲気ガスの付着により汚染して仕事関数φが変化しても電子放出特性には大きな影響がないため環境ガスの影響を受けにくい。さらに１０Ｖ程度の低電圧の印加でも電子放出動作が可能であり高圧電源等を要しない点も大きな利点である。さらに、前述のＭＩＳ構造と異なり基板を半導体材料にする必要が無く、ガラス上にでも形成できるため長尺化や大面積化などが安価にできる。
【００５１】
前述の実施形態１〜５のいずれか一つに示す構成の帯電装置（例えば図４または図１０に示す構成の帯電装置）に、図１３に示す構成の電子放出素子を適用し、被帯電体（例えばリコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させ、このときの帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯX ともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。
【００５２】
［実施形態８］
次に別の参考実施形態を説明する。
実施形態６の参考実施例（図１１）や実施形態７の参考実施例（図１３）に示したような、薄い絶縁膜を使用する電子放出素子においては、電子の放射効率をより高めようとすると（より多くの電子を放射させようとすると）、前記絶縁膜の膜厚をさらに薄くする必要があるが、上記絶縁膜の膜厚を薄くしすぎると、前記積層構造の上下の電極間に電圧を印加した時に絶縁破壊を起こす恐れがあり、このような絶縁破壊を防止するためには上記絶縁膜や上記酸化膜の膜厚の薄膜化に制約があるので、電子の放出効率（引き出し効率）をあまり高くできないという問題がある。
上記問題を解決すべく、この参考実施形態における電子放出素子は、基本的には多孔質半導体を高抵抗層として用いた素子であり、金属薄膜／多孔質半導体／半導体基板をその構成要素にしている。尚、このような電子放出素子及び電子放出動作については、「信学技報,TECHNICAL REPORT OF IEICE.,ED96-141,(1996-12)」に詳細な説明がなされている。
【００５３】
図１５は参考実施例を示す図であって、実施形態１〜５に示した構成の電荷発生装置（例えば図４または図１０に示す構成の電荷発生装置（帯電装置））に用いられる電子放出素子の別の例を示す断面図である。この図１５に示す構成の電子放出素子は例えば、以下の方法で作製できる。
まず、裏面のオーミック電極６０４を取った状態の面方位（１００）のｎ形シリコン基板（ｎ形シリコンウエハ）（比抵抗が０．０１〜０．０３Ωｃｍ）６０３の表面に、５５ｗｔ％ＨＦ水溶液とエタノールとの混合液（混合比は１：１）中で定電流陽極酸化処理を施し、多孔質シリコン層（以下、ＰＳ層という）６０２を形成する。陽極酸化中には５００Ｗのタングステンランプにより試料面を光照射する。ＰＳ層６０２の厚さは約３μｍである。作製したＰＳ層６０２の表面にＡｕ薄膜を真空蒸着し（厚さ１０ｎｍ）、これを表面側のＡｕ薄膜電極６０１として裏面のオーミック電極６０４との間でダイオードを形成する。
【００５４】
このダイオードのＡｕ薄膜電極６０１に電源６０５により正電圧ＶPSを印加し、ｎ形シリコン基板６０３からＰＳ層６０２に電子を注入する。その際の電流はＩPSである。その場合、ＰＳ層６０２は高抵抗であるので、印加電界の大部分はＰＳ層６０２にかかっているが、ＰＳ層６０２の表面には酸化層が存在するため、図１６のエネルギーバンド図に示すように、電界強度はＰＳ層６０２の表面ほど強い。さらに、ｎ形シリコン基板６０３から注入された電子は、Ａｕ薄膜電極６０１側に向けてＰＳ層６０２を走行し、Ａｕ薄膜電極側に向かう。そしてＰＳ層６０２表面付近に達した電子は、そこでの強電界により一部はＡｕ薄膜電極６０１をトンネルし、素子外部に放出される。
【００５５】
本実施例では電子放出素子を構成する半導体基板をシリコン基板としたものであるが、本発明はシリコン基板に限られたものではなく、陽極酸化を適用できる半導体は全て利用することができる。すなわち、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）など、IＶ 族、III−Ｖ 族、II−ＶI 族などの単体及び化合物半導体の多くが、これに該当する。
【００５６】
本実施例によれば、薄い絶縁膜を形成する工程が不要であり絶縁破壊の恐れが小さい、複雑な工程は不要である、素子構成が単純である、大面積化が容易である、という利点が得られ上述の問題を解決できる。
ただし、「信学技報,TECHNICAL REPORT OF IEICE.,ED96-141,(1996-12)」によれば、本実施例における電子放出素子は発光素子としても機能しうるため、例えば電子写真の感光体に対向させると発光が直接感光体を照射し、帯電を阻害してしまう。しかしながら、本実施例においてはシールド内において負イオン生成を行うため、電子放出素子が感光体に対向する必要がないため、前記の問題を回避できる。
また、同じく「信学技報,TECHNICAL REPORT OF IEICE.,ED96-141,(1996-12)」によると、形成したＰＳ層６０２を、１０００℃、１５分で急速熱酸化（ＲＴＯ：Rapid Thermal Oxidation）処理した後に、ＰＳ層６０２の表面にＡｕ薄膜を真空蒸着したところ、放出電子量が増大したことも報告されている。これはＰＳ層６０２の表面の酸化によりリーク電流が減少し、素子内部の電界効果が高まったためと考えられている。勿論このような処理を施した電子放出素子も本実施例に適用できることは言うまでもない。
【００５７】
前述の実施形態１〜５のいずれか一つに示す構成の帯電装置（例えば図４または図１０に示す構成の帯電装置）に、図１５に示す構成の電子放出素子を適用し、被帯電体（例えばリコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させ、この時の帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯX ともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。また、実施形態６の実施例（図１１）や実施形態７の実施例（図１３）に示した電子放出素子に比べ、素子の絶縁破壊が起こる頻度が著しく少なかった。
【００５８】
［実施形態９］
次に別の参考実施形態を説明する。
図１７は参考実施例を示す図であって、実施形態１〜５に示した構成の電荷発生装置（例えば図４または図１０に示す構成の電荷発生装置（帯電装置））に用いられる電子放出素子の別の例を示す断面図であり、図中の符号９１１は下部電極、９１２は電子放出部材、９１３は上部電極である。この電子放出素子は、下部電極９１１と、下部電極９１１上に形成された３００〜５００ｎｍの厚さを有するタンタルオキサイド（Ｔａ２Ｏ５）膜９１２−１と、その上部に形成された約５００ｎｍの厚さを有するＺｎＳ膜９１２−２と、さらにその上部に形成された約１０ｎｍの厚さを有する金（Ａｕ）からなる上部電極膜９１３により構成されている、エレクトロルミネッセント（ＥＬ）素子である。尚、このようなＥＬ薄膜の材料及び電子放出動作については、「応用物理、第６３巻、第６号、第592〜595頁（1994年）」に詳細な説明がなされている。
【００５９】
次に図１７に示す実施例において、電子放出素子のスイッチングトランジスタがオン状態における下部電極９１１に印加されるドライブ電圧波形を図１８に基づいて説明する。図１８において、▲１▼は上部電極９１３、すなわち金からなる上部電極膜９１３に印加されているＤＣ電位である。▲２▼は電子放出状態における下部電極９１１に印加される電位である。ＤＣ電位▲１▼に対して下部電極電位▲２▼として負の電位が印加されているバイアス状態においては、ＺｎＳ膜９１２−２の膜中においてホットエレクトロンが発生し、金よりなる上部電極膜９１３をトンネリングして、このホットエレクトロンが外部に放出される。尚、図１８に示した下部電極９１１に印加される駆動電位▲２▼の波形は、図１９に示すようなパルス波形でもよいことが、前記の「応用物理、第６３巻、第６号、第592〜595頁（1994年）」に示されている。
【００６０】
本実施例においては、発光を伴う電子放出面を被帯電体に対向させずに帯電動作を行うことができるため、被帯電体が電子写真用感光体であっても帯電電位を低下させることがない。
このことにより、薄い絶縁膜を形成する工程が不要であり絶縁破壊の恐れが小さい、複雑な工程は不要である、素子構成が単純である、大面積化が容易である、という利点をもつ電子放出素子を問題なく使用することができる。
【００６１】
前述の実施形態１〜５のいずれか一つに示す構成の帯電装置（例えば図４または図１０に示す構成の帯電装置）に、図１７に示す構成の電子放出素子を適用し、被帯電体（例えばリコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させ、このときの帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、いずれもオゾン、ＮＯX ともバックグラウンドレベル以上の値は検出されなかった。また、実施形態６の実施例（図１１）や実施形態７の実施例（図１３）に示した電子放出素子に比べ、素子の絶縁破壊が起こる頻度が著しく少なかった。
【００６２】
［比較例］
本発明の実施形態１〜９に対する比較例として、図２０に従来のコロナ帯電方式の帯電装置の構成例を示す。図２０に示す従来のコロナワイヤー１００１を用いた帯電装置１０００を用い、前述の実施形態１〜９と同一の環境条件で被帯電体１１６（例えばリコー製プリンタ用の感光体ユニット：タイプ８００）の表面全体を−７００Ｖに帯電させた。この時の帯電装置周辺におけるオゾン濃度及びＮＯX 濃度の測定を行ったところ、オゾン：４ｐｐｍ、ＮＯX ：０．６ｐｐｍが検出された。
【００６３】
［実施形態１０］
以上に説明した本発明の電荷発生装置や，その電荷発生装置を用いた帯電装置は、被帯電体である像担持体上に静電画像を形成し、該静電画像を現像して可視像化した後、該可視像を転写材に転写し、画像を形成する画像形成装置において、被帯電体である像担持体を均一に帯電する手段、または像担持体上に静電画像を形成する手段、もしくは像担持体上の可視像を転写材に転写する手段、あるいは像担持体を除電する手段、として用いるのに最適であり、オゾン、ＮＯＸ 等の放電生成物の発生が低減された画像形成装置の提供が可能となる。
【００６４】
ここで、図２１は本発明に係る画像形成装置の一実施例を示す図であり、例えば実施形態１〜９のいずれかに示した構成の電荷発生装置（帯電装置）を被帯電体である像担持体２１を均一に帯電する帯電装置２２として用いた例である。
図２１において、符号２１は像担持体であるドラム状の光導電性感光体であり、この感光体２１の周囲には、感光体２１の表面を均一に帯電する帯電装置２２、帯電された感光体２１にレーザー光等の書込み光ＬＢを照射して静電画像を形成する光書込み装置２３、感光体２１上の静電画像をトナーで現像して顕像化する現像装置２４、感光体２１上のトナー画像を転写紙等の転写材に転写する転写装置２５、転写後の感光体２１上の残留トナーや紙粉等を除去するクリーニング装置２６、感光体２１上の残留電荷を除電する除電装置２７等が配設されている。また、この画像形成装置には、感光体２１と転写装置２５の間の転写部に転写材Ｐを給紙する給紙部２８と、転写材Ｐに転写されたトナー画像を定着する定着装置２９が設けられている。
図２１に示す構成の画像形成装置においては、帯電装置２２として、実施形態１〜９のいずれかに示した構成の電荷発生装置（帯電装置）を用いているので、コロナ放電などのような放電現象を伴なわずに感光体２１を均一に帯電することができ、オゾン、ＮＯX 等の放電生成物の発生を低減することができる。
【００６５】
次に図２２は本発明に係る画像形成装置の別の実施例を示す図であり、例えば図８，９に示す構成の電荷発生装置を、被帯電物である像担持体３１上に静電画像を形成する手段３２として用いた例である。
図２２において、符号３１はドラム状の像担持体であり、この像担持体３１の周囲には、像担持体３１の表面を電荷発生装置を用いて選択的に帯電して静電画像を形成する静電画像形成手段３２、像担持体３１上の静電画像をトナーで現像して顕像化する現像装置３３、像担持体３１上のトナー画像を転写紙等の転写材に転写する転写装置３４、転写後の像担持体３１上の残留トナーや紙粉等を除去するクリーニング装置３５、像担持体３１上の残留電荷を除電する除電装置３６等が配設されている。また、この画像形成装置には、像担持体３１と転写装置３４の間の転写部に転写材Ｐを給紙する給紙部３７と、転写材Ｐに転写されたトナー画像を定着する定着装置３８が設けられている。
【００６６】
図２２に示す構成の画像形成装置においては、静電画像形成手段３２として、図８，９に示すような信号電極と走査電極を有する構成の電荷発生装置を用いることにより、コロナ放電などのような放電現象を伴なわずに像担持体３１上に静電画像を形成することができるので、オゾン、ＮＯX 等の放電生成物の発生を低減することができる。また、電荷発生装置を用いて像担持体３１の帯電と画像形成を同時に行うので、図２１の構成よりも簡便な構成の画像形成装置を提供することができる。尚、図２２の構成の場合、電荷発生装置を用いて静電画像の形成を行うので、像担持体３１としては、静電画像を保持できるものならよく、例えば、円筒状の芯金（電極）上に絶縁体層や誘電体層を積層したもの等を用いることができる。
【００６７】
尚、本発明に係る画像形成装置においては、感光体等の像担持体を帯電する手段や、像担持体上に静電画像を形成する手段の他に、可視像（トナー像）を転写材あるいは中間転写体に転写する手段（例えば、図２１，２２の転写装置２５，３４）として実施形態１〜９のいずれかに示した構成の電荷発生装置を具備する構成としても良く、この場合には、転写部でのオゾン及びＮＯX の発生が防止されると共に均一でむらのない転写を行うことが可能となり、転写抜け等の転写不良のない良好な画像形成を行うことができる。
またこの他、像担持体を除電する手段（例えば、図２１，２２の除電装置２７，３６）として実施形態１〜９のいずれかに示した構成の電荷発生装置を用いることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明では、被帯電体に対向して配置され、素子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と、電気的負性気体を含む気体を導入する手段と、前記電子放出素子により放出された電子と電気的負性気体分子により発生した負イオンを制御する制御手段を有し、前記制御手段は、被帯電体と電子放出素子間の電界をバイアス電源により制御する構成の電荷発生装置において、前記電子放出素子は、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板上に形成された電極（以下、基板電極と言う）と、前記基板電極の上に形成された半導体層と、前記半導体層の上に形成され絶縁層に覆われた多孔質半導体層と、前記多孔質半導体層の上に形成され前記被帯電体との間の空間に面する薄膜電極層と、により形成され、前記基板電極と前記薄膜電極層間に電圧を印加することにより、前記薄膜電極層の表面から電子が放出される構成であり、前記電子放出素子と前記被帯電体との間の空間に、前記電気的負性気体を充填し、前記薄膜電極層より放出された電子により前記電気的負性気体をイオン化し、該イオン化された気体のうち負イオンを、前記制御手段により制御された電界により前記被帯電体側に到達させ、前記被帯電体をマイナスに帯電させる構成としたものであり、電子放出素子から放出された電子を利用して負イオンを発生させ、被帯電体を帯電させる構成のため、電荷を発生させるために放電を用いなくとも良く、イオン化のために発生する化合物を非常に少なくできる。また、被帯電体と電子放出素子間の電界に６×１０６Ｖ／ｍ以上の部分が１０μｍ以上存在すると、コロナ放電や火花放電が生じる可能性が出てくるが、請求項１に係る電荷発生装置では、制御手段で被帯電体と電子放出素子間の電界を制御して、６×１０６Ｖ／ｍ以上の部分が１０μｍ以下となるようにしているため、安定して被帯電体を帯電することができる。また、電子放出素子が、放出電流の集中による局所的な温度上昇、イオン衝撃による先端部の損傷というような問題をもたず、長寿命で安定な動作ができる。
【００６９】
請求項２に係る電荷発生装置では、請求項１の構成及び効果に加えて、前記電気的負性気体として、酸素、水蒸気、ハロゲンガス、ＳＦ6、二酸化炭素、ＮＯ、ＮＯ2、ＳＯ2、ＳＯ3、ＨＮＯ3、Ｎ2Ｏ5のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いた構成としたものである。これらの気体分子は、負イオンになった場合の電子親和力が大きく電気的負性気体であるが、それでもイオン化し安定化するためには、ほとんどが閉殻分子であるため電子を捕獲するのは難しい。しかし、分子のクラスター化により負イオンになりやすいことが知られており、そのためより効率的に負イオンを形成でき、これにより効率的に帯電が可能となる。特に、水蒸気、二酸化炭素、ＮＯ、ＳＯ2、酸素、の組み合わせが比較的安定であり、効率的に帯電が可能になる。
【００７０】
請求項３に係る電荷発生装置では、請求項１の構成及び効果に加えて、前記電気的負性気体として、酸素、水蒸気、二酸化炭素のうちの何れか一つ、または複数組み合わせたものを用いた構成としたものである。除電装置など、単純な帯電の場合は、請求項２に記載の組み合わせでよいが、電子写真のプロセスに用いる場合には問題が生ずることがあり、特にＮＯ、ＮＯ2、ＨＮＯ3などの物質は、帯電時に水分を集めた形で被帯電体に低抵抗性の部分を形成するため、被帯電体が電子写真用の感光体等では画像流れなどが生じることがある。本発明の電荷発生装置では新しい化合物の発生は非常に少なくできるため、請求項３のように、当初からこれらのガスを導入しなければ、特に放電により発生する窒素ガスと酸素からのＮＯXに起因する物質が生ぜず、感光体に付着することを防止することができる。
【００７８】
請求項４に係る帯電装置では、請求項１〜３のうちの何れか一つに記載の電荷発生装置を備え、該電荷発生装置の電子放出素子から放出される負イオンにより被帯電体を帯電させる構成としたので、請求項１〜３の何れかと同様の効果が得られ、オゾン、ＮＯＸ 等の放電生成物の発生が低減され且つ異常放電の発生が防止された帯電装置を実現することができる。
【００７９】
請求項５に係る画像形成装置では、被帯電体である像担持体上に静電画像を形成し、該静電画像を現像して可視像化した後、該可視像を転写材に転写し、画像を形成するものであり、被帯電体である像担持体を均一に帯電する手段、または、像担持体上に静電画像を形成する手段、もしくは、像担持体上の可視像を転写材に転写する手段、あるいは、像担持体を除電する手段として、請求項１〜３のうちの何れか一つに記載の電荷発生装置、あるいは、請求項４記載の帯電装置を具備する構成としたので、請求項１〜３の何れかと同様の効果が得られ、オゾン、ＮＯＸ 等の放電生成物の発生が低減された画像形成装置を実現することができる。また、電荷発生装置を静電画像形成手段として用いた場合には、装置構成を簡素化でき、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す電荷発生装置（帯電装置）の構成説明図である。
【図２】水蒸気、二酸化炭素、ＮＯ、ＳＯ2、酸素を組み合わせた気体に電子を作用させた場合の負イオン変化の概略を示す図である。
【図３】図１に示す構成の電荷発生装置に白金ワイヤーを付加した場合の構成説明図である。
【図４】  参考実施例を示す電荷発生装置（帯電装置）の構成説明図である。
【図５】  別の参考実施例を示す電子放出素子の概略断面図である。
【図６】  別の参考実施例を示す電子放出素子の概略断面図である。
【図７】図６に示す構造の電子放出素子の動作原理の説明図である。
【図８】  別の参考実施例を示す電荷発生装置の要部平面図である。
【図９】図８に示す電荷発生装置を用いた帯電装置の構成説明図である。
【図１０】  別の参考実施例を示す電荷発生装置（帯電装置）の構成説明図である。
【図１１】  別の参考実施例を示す電子放出素子の概略断面図である。
【図１２】図１１に示す構造の電子放出素子の動作原理の説明図である。
【図１３】  別の参考実施例を示す電子放出素子の概略断面図である。
【図１４】図１３に示す構造の電子放出素子の動作原理の説明図である。
【図１５】  別の参考実施例を示す電子放出素子の概略断面図である。
【図１６】図１５に示す構造の電子放出素子におけるエネルギーバンドを示す図である。
【図１７】  別の参考実施例を示す電子放出素子の概略断面図である。
【図１８】図１７に示す構造の電子放出素子の下部電極に印加されるドライブ波形の一例を示す図である。
【図１９】図１７に示す構造の電子放出素子の下部電極に印加されるドライブ波形の別の例を示す図である。
【図２０】従来のコロナ帯電方式の帯電装置の構成例を示す断面図である。
【図２１】本発明に係る画像形成装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図２２】本発明に係る画像形成装置の別の実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１：電子放出素子
２：絶縁体からなる基板（例えば、石英ガラス基板）
３：基板電極
４：半導体層
５：多孔質半導体層
６：薄膜電極層
７：被帯電体
８：電源
９：バイアス電源
１１：電子放出素子
１２：絶縁体からなる基板（例えば、石英ガラス基板）
１３：走査電極
１４：半導体層
１５：多孔質半導体層
１６：信号電極（薄膜電極層）
１７：信号電極端子
１８：電源
１９：バイアス電源
２１，３１：像担持体（被帯電体）
２２：帯電装置（電荷発生装置）
２３：光書込み装置
２４，３３：現像装置
２５，３４：転写装置
２６，３５：クリーニング装置
２７，３６：除電装置
２８，３７：給紙部
２９，３８：定着装置
３２：静電画像形成手段（電荷発生装置）
１０１：電子放出素子
１０２：シールド
１０３：電極
１０４：制御用電源
１０５：気体の導入路
１０６：気体送り込み手段
１０７：負イオン生成空間部
１０８：放出口
１０９，１２０：電源
１１６：被帯電体（感光体）
１５０：加熱手段（電熱線（ヒーター））
２１１：下部電極
２１２：電子放出部材
２１２−１：Ｐ型半導体層
２１２−２：Ｐ+ 型半導体層
２１２−３：Ｎ++型半導体層
３０１：Ｐ+ 型半導体基板
３０２：Ｎ+ 型半導体ガードリング
３０３：Ｐ型半導体領域
３０４：Ｐ+ 半導体領域
３０５：絶縁膜
３０６：オーミック電極
３０７：金属電極
３０９：電源
３１０：電子放出時の空乏層
４１１：上部電極（金属膜）
４１２：絶縁膜
４１３：下部電極（金属膜）
４１４：基板
５１２：絶縁層
５１３：下部電極（半導体基板）
５１８：上部電極（金属膜）
６０１：ｎ型シリコン基板
６０２：多孔質シリコン層
６０３：Ａｕ薄膜電極
６０４：オーミック電極
９１１：下部電極
９１２：電子放出部材
９１２−１：タンタルオキサイド膜
９１２−２：ＺｎＳ膜
９１３：上部電極
【図１】
0004150153.tif 000002
【図２】
0004150153.tif 000003
【図３】
0004150153.tif 000004
【図４】
0004150153.tif 000005
【図５】
0004150153.tif 000006
【図６】
0004150153.tif 000007
【図７】
0004150153.tif 000008
【図８】
0004150153.tif 000009
【図９】
0004150153.tif 000010
【図１０】
0004150153.tif 000011
【図１１】
0004150153.tif 000012
【図１２】
0004150153.tif 000013
【図１３】
0004150153.tif 000014
【図１４】
0004150153.tif 000015
【図１５】
0004150153.tif 000016
【図１６】
0004150153.tif 000017
【図１７】
0004150153.tif 000018
【図１８】
0004150153.tif 000019
【図１９】
0004150153.tif 000020
【図２０】
0004150153.tif 000021
【図２１】
0004150153.tif 000022
【図２２】
0004150153.tif 000023