(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被帯電体表面と接触し、この被帯電体と帯電器の間に電圧を印加することによって、この被帯電体に所定の表面電位を与える機能を持ち、前記被帯電体に接する帯電器の表面がブラシ状であり、かつこのブラシ先端を構成する線の半径が複数種類存在するブラシ帯電器において、
太い方の線が帯電器にかけられている応力を吸収し、適当な弾性を持って前記ブラシと前記被帯電器との距離を一定にするように撓む機能を持っており（今後便宜上この細線を支持細線と呼ぶ）、かつ、細い方の線（便宜上細線と呼ぶ）が帯電に寄与する機能を持っており、前記被帯電体への帯電時に、前記支持細線から前記被帯電体に流れる電流に比べて、前記細線から前記被帯電体に流れる電流の方が多く、かつ前記細線は支持細線の先端に固定されていることを特徴とする帯電器。
【請求項２】
前記支持細線の間隔に対して、前記細線の長さが十分長く、前記支持細線の隙間を埋めるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の帯電器。
【請求項３】
前記細線のうちブラシ先端を構成するものが摺動性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の帯電器。
【請求項４】
前記細線のうちブラシ先端を構成するものの機械強度を他のものより大きくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の帯電器。
【請求項５】
前記支持細線の前記被帯電体に対する接触抵抗Ｒｂと、前記細線の前記被帯電体に対する接触抵抗Ｒｓとの間にＲｂ＞Ｒｓなる関係があることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の帯電器。
【請求項６】
前記被帯電体と帯電器表面の間隔と電位差が放電電圧を越えないように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の帯電器。
【請求項７】
前記被帯電体と接触している帯電器のニップ領域の内部において、そのニップ領域の入り口側における帯電器の印加電圧Ｖ１とニップ領域の出口側での印加電圧Ｖ２との間にＶ１＜Ｖ２なる関係があることを特徴とする請求項６に記載の帯電器。
【請求項８】
帯電を施すために帯電器に印加された電圧によって生成される前記被帯電体と帯電器の間に起きるクーロン力によって、前記細線が移動することを特徴とする請求項１に記載の帯電器。
【請求項９】
前記細線が短手方向に撓むことによって前記細線の移動が起こることを特徴とする請求項８に記載の帯電器。
【請求項１０】
前記細線をカーボンナノチューブとすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の帯電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、帯電器に関し、特に帯電効率を改善した帯電器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、電子写真方式の複写機、プリンター、ファクシミリ等の画像記録装置に用いられる接触型帯電器に関する発明であるが、この技術は、放電現象及び帯電現象を利用した様々な装置に応用が可能である。以下に、応用の一例を挙げる。
【０００３】
（１）イオナイザー
液晶工場等では帯電防止を行うためイオナイザーを用いている。従来のイオナイザーは、空中現象を利用している。そのため、電極からの異物を発生させ、歩留まりを低下させる要因となっている。本発明の帯電器を除電器として用いることで、異物を発生させない除電を可能にする。通常の基板の帯電を除去する場合は、本発明の帯電器の細線部分を、帯電している基板等に接触させる。
本発明の直接の目的、効果は積極的に帯電させることではあるが、電圧を印加しないで、アースにとっておくことによって、除電効果が期待できる。基本的には帯電器から異物を発生することはない。これと同時に、基板上に存在する異物を帯電器に吸着することが期待できる。この場合は、帯電器側に異物を除去する装置を構成することが必要である。
【０００４】
（２）電気２重層キャパシタの電極
上に述べた放電現象とは若干異なるが、電解液と電極との放電現象においても、本発明の帯電器がもつ高表面性を利用することができる。電気２重層キャパシタは電極表面に電荷を電気２重層として蓄積するキャパシタである。その容量は、そのキャパシタの誘電率、厚さ、及び面積によって決定される。現状では、このキャパシタは停電時の補助電源などに用いられているが、より大きな容量を得ることができれば、例えば電気自動車などへの応用も考えられる。容量を増大させるには、先に述べた３つのファクターである誘電率、厚さ、面積を考慮する必要があり、現状では活性炭等の高面積材料が用いられている。しかし、活性炭での面積比では既に限界が来ており、より表面積の高い材料が求められている。
その意味でも、本発明の帯電器はその表面積の向上を目的に構成されており、このような応用に適している。また、現状の活性炭では炭素の表面にダングリングボンドや水素基、水酸基などが存在しており、電荷授受にかけられる電場よって電解液の中にガスが発生してしまうという問題を抱えている。このような課題には表面も化学的に安定な物質で構成することが望まれる。この面でも、本発明の帯電器はカーボンナノチューブを用いているため、表面は化学的に非常に安定である。このような利点は、電気２重層キャパシタに限らず、通常の２次電池の電極材料としても強みとして発揮できる。
【０００５】
（３）燃料電池用ガス（水素）吸蔵物質
カーボンナノチューブは、その表面積の大きさからガスの吸蔵力が大きく、通常の水素吸蔵合金より大きな吸蔵量があることが実験的に示されている（Ｎａｔｕｒｅ３８６（１９９７）、ｐ．３７６）。この例の場合、カーボンナノチューブは単に表面積の大きい物質としてしか用いられていない。このため、この時に用いられるカーボンナノチューブは、特に１本ずつ支持されることなく、ランダムに絡み合った状態である。
本発明の帯電器では、カーボンナノチューブが１本ずつ導電性細線に支持されていることから、その導電性のカーボンナノチューブに各々電位を印加することができる。つまり、本帯電器の目的である表面積の大きい高電位面の形成が実現しているわけである。この大面積高電位面積にイオン化したガス（水素）を吹きかけることで、積極的にガスを吸着させることができる。ここで、水素イオンと電荷の授受が行われる。本発明では、大面積に電位をかけることができる帯電器による効果が得られる。これにより、従来の合金やカーボンナノチューブより、大容量のガスの吸蔵が可能と思われる。
【０００６】
ここで、画像記録装置に用いられる接触型帯電器に話を戻して考える。従来の帯電方式はコロナ放電を用いたコロトロン、スコロトロンが主流であった。しかしコロナ放電は、空気中に電界をかけることから、オゾンやＮＯｘなど有害物質を大量に発生することや、帯電効率が低いために消費電力が多く、また４〜６ｋＶの高圧電源が必要なためコストが高く、かつ人体に対し危険性があるといった欠点があった。近年の環境に対する配慮からこのような帯電方式を改善することは急務であり、ローラー帯電へと移行されつつある。
ローラー帯電とは、導電性ゴムローラーを画像記録装置の場合は感光体などの被帯電体と接触させ、被帯電体と帯電ローラーの微小空隙で放電を起こし被帯電体表面を帯電させる方法であり、コロトロンと比較して、オゾンが著しく低減（１／１００〜１／５００に低減）されている。しかしながら、帯電ローラーも被帯電体と帯電ローラー間の微小空隙に電圧を加えコロナ放電を起こすことから、原理的にオゾン発生をゼロにはできない。また、オゾンが被帯電体近傍で発生するため、オゾンによる被帯電体の劣化は依然として課題として残る。よってオゾンが全く発生しない帯電方式が強く望まれ、最近では電荷注入が注目されるようになっている。
【０００７】
電荷注入とは放電を起こさないで、接触型帯電器から直接電荷を感光層に注入する方法である。この方法はこのため、原理的にオゾンは発生しない。電荷注入においては、接触型帯電器と被帯電体との接触抵抗や微小空隙の容量が電荷を注入する際の注入速度に影響を与えるため、接触抵抗は低いほど良いと考えられる。その目的のために、特開平６−７５４５９号公報ではテトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ）等の電子受容性化合物とテトラチアフルバレン（ＴＴＦ）等の電子供与性化合物から構成される電荷移動錯体を高分子ネットワークに置換し、全体に導電性を付与した高分子材料からなる導電性ゴムで帯電ローラーを作っている。
しかしながら香川、古川、新川らによるＪａｐａｎ  Ｈａｒｄｃｏｐｙ‘９２、ｐｐ．２８７〜２９０の報告では、８０％ＲＨの高湿下では有機感光体（以後ＯＰＣと略す）は十分な帯電電圧が得られるが、３０〜５０％ＲＨの湿度下では印加電圧の半分までしか帯電されず、注入速度が遅いことが判っている。
これは帯電ローラーの接触面積（ニップ幅）が小さいことと、導電性ゴムが十分に低抵抗化していないためと予想される。
【０００８】
つまり、低抵抗の導電性ゴムを得るには電荷移動錯体を多量にドーピングする必要があるが、ドーピング量が多くなると高分子自体のネットワークの柔軟性が減少し、ゴム硬度が高くなるのではないかと思われる。例えば、特開平６−７５４５９号公報での導電性ゴムの抵抗は、１０6 Ω・ｃｍとなっており、適度なゴム硬度を維持しながら導電性ゴムを低抵抗化することは、高分子材料の選択の点から容易ではないと予想される。また、全体に導電性を付与した高分子材料からなる導電性ゴムでは帯電電位が湿度に敏感であるため、環境を厳密に制御する必要があり、接触型帯電器構造が複雑になる。
【０００９】
一方、特開平７−１４０７２９号公報では、吸水性のスポンジローラーを用いて感光体に電荷を注入している。吸水性のスポンジローラーを用いる場合、ローラーの含水率がローラー抵抗や電荷の注入速度に大きな影響を与えるので、ローラーからの水分蒸発によって帯電電位が変動する虞れがある。帯電電位の変動を抑えるためにはローラーからの水分蒸発を長期に渡って厳密に制御する必要があり、接触型帯電器の構造は複雑になり、安価に製造することができない。
また、特開平９−１０１６４９号公報においては、帯電ブラシの導電性繊維をエッチング繊維ないし分割繊維にすることによって、導電性繊維と感光体との接触面積を増加させ、電荷注入の速度を向上させることが提案されている。エッチング繊維とは導電性繊維の成分の一部を薬液で溶解し、１本の導電性繊維を太さ方向で複数本に分割した繊維である。また分割繊維とは加熱時の各部の熱収縮の差を利用し、１本の導電性繊維を太さ方向で分割した繊維である。これらの処理によって、実質的により細い径の導電性繊維を用いたことになり、感光体との接触面積を増加することができる。
【００１０】
しかしながら、分割された繊維の引っ張り強度は分割前の導電性繊維と比較し分割された分だけ小さくなる。その結果、感光体と接触した場合、分割された繊維は切断されやすくなり、長期の使用では帯電電位のバラツキを起こし、接触型帯電器の寿命を低下させる原因となってしまう。逆に、長寿命の接触型帯電器を得ようとすると、導電性繊維の分割数を多くできないため、接触面積の著しい増加は期待できず、電荷注入速度が顕著に向上するとは思えない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のごとく、従来技術には帯電ブラシを分割する方法があるが、単に分割するだけでは、全ての先端が細線になってしまう。通常ブラシを感光体に押し当てている場合、そのブラシ先端がその押し当てている応力に抗して、曲がるなど変形している。つまり、押し当て応力による摩擦などをすべて、この細線で担うことになる。これにより細線の寿命の低下は避けられない。また、寿命を向上させるためには、細線径をあまり細くすることができない。しかし、細くしなければ、接触面積を稼ぐことができない。
この結果、従来の帯電ブラシでは帯電能力が低く、時間内に十分な帯電電位を得ることができない。また、後に述べるが、電荷注入を行う細線はクーロン力によって移動できることが望まれる。そのためには、細線には外力がかかることなく自由移動できることが望まれる。このためには、帯電ブラシが感光体に押し当てられることによって発生する応力を担う支持細線と、電荷を注入する細線とを、機能分離する必要がある。
【００１２】
また、帯電していない領域に細線が接触しない場合、その場所は帯電不良となる。このような帯電不良を起こさないように、全ての領域に細線が接触しなければならない。しかし、確率的に細線が全ての領域に接触するように設計すると、細線の量は膨大なものになる。現状では大量に細線を形成することは製造上、困難を伴う。このため、従来の帯電器ではローラー状にし、被帯電体とは逆方向に、３倍から４倍の周速で回転させることで、接触確率を稼ぐようにしている。しかし、接触確率を向上させても、実際は、一度帯電した領域に、何度も細線が接触するという現象が起きている。このような現象が起きると効率が非常に悪くなることは明らかである。
１度接触し、帯電が完成している領域には、細線が２度と接触しないような機構が必要である。また、帯電していない領域に細線が積極的に接触するようにする機構が必要である。
【００１３】
さらに、クーロン力によって細線が移動するには、移動するような機構を作り込まなくてはならない。この移動は細線が支持細線にある固定点を中心に起きるようにするのが簡便である。例えば、この固定点で細線が屈曲する機構を作り込むことなどが考えられる。しかし、今、考えている細線は非常に細く、ミクロンもしくはナノオーダーであることから、一個所に応力が集中すると、その細線への強度上の問題が生まれる。本発明の目的が高寿命化であることから、細線には極力ダメージがかからないように、この機能を付加する必要がある。そのためには、一個所で屈曲するような機構は問題があり、このような課題を解決する必要がある。
【００１４】
また、従来の帯電ブラシは、そのブラシ密度が小さく十分な帯電能力を得ることができない。そのために、細線を設けたブラシが考案されている。しかし、このブラシの細線に十分な長さが無い場合、やはり、細線の届かない領域での帯電が不良になる。ブラシを形成する時に、その支持細線の束を固定する場合、その密度には製造上限界が存在する。その可能な密度で支持細線を固定しつつ、被帯電体と接する部分での面積が大きくなるような工夫が成される必要がある。そのために、支持細線の密度と細線の長さとを適当な値にする必要がある。
また、従来の帯電ブラシではクーロン力に比べ、繊維の径が大きく、硬いために、クーロン力によってブラシ繊維を移動させることはできなかった。また、従来のブラシ繊維はその繊維自体が被帯電体との押し圧の応力を受けていた。つまり、ブラシ繊維は被帯電体に押し付けられ、被帯電体からの摩擦力によって、自由に動ける状態ではなかった。
【００１５】
本発明では、被帯電体との押し圧による応力は支持細線が担うことになるので、細線は被帯電体との摩擦力を受けることが無い。つまり、細線にかかる力は、支持細線に固定されている力と自重であり、自重はほとんど無視できる。固定点以外は概ね自由な状態である細線は、外力に対して、その細線が撓む時に起きる弾性力とで成り立つ平衡状態に移動する。この平衡状態を機能的に満足している必要がある。具体的には、クーロン力によって細線が撓む場合、細線にかかる力に対し、細線が十分に柔らかく、自由に移動できる必要がある。その力に対する効力は細線の強度からくる弾性係数によって規定される。
【００１６】
さらに、被帯電体に直接接する細線には大きな摩擦が起きる。このような摩擦がかかっている状態では発熱など不具合が生じやすい。これに対する対処も必要になる。また、細線には帯電により静電力がかかる。また、摩擦による機械的なダメージも存在する。このような外部影響に対する耐性が必要である。
また、ブラシ帯電器の支持細線は、押し圧のために絶えず、被帯電体と接している。この構成によれば、図６に示すような、電気的に抵抗からなる等価回路を描くことができる。この時に、もし支持細線の抵抗が細線のそれより小さい場合、細線の方に十分な電流が流れなくなり、帯電が不完全になる可能性が出てくる。例え、帯電ができたとしても、その帯電能力が低減してしまうことになる。このような不具合が起きないように、支持細線と被帯電体とのルートに流れる電流をできるだけ低減しなければならない。
【００１７】
さらに、被帯電体は導電性の基体の上に数十μｍの感光膜を形成している。通常の画像形成では問題にならないが、感光膜には小さな穴が存在することがある。この穴は、接触帯電器の場合、帯電器と導体基体間に電圧を印加した場合にショートしてピンホールとなり問題になる。ピンホールは、その部分に大電流が流れることによる被帯電体の劣化の原因となる。また、その他の接触領域に対する印加電圧が低減するなど問題がある。ピンホールが存在していても、そこに電圧が集中しないようにする必要がある。
【００１８】
従来の帯電ローラーに見られるように、帯電器の電極部が被帯電体に直接接していても電荷注入が起きる量は限られている。これは帯電ローラーと被帯電体の微小ギャップ間で放電が起きていることによると言われている。放電によって起きる電荷の授受は、電荷注入のそれに比べて、遥かに早いことが予想される。また、放電が起きる領域は、回転している帯電ローラーと被帯電体が接触する直前だといわれている。そこには、帯電ローラーと被帯電体には微小ギャップが存在し、そのギャップで放電が発生する。これによって、電荷注入が起きる前に、放電による電荷の授受が起きてしまう。
放電した後、被帯電体上に十分な電位がのってしまっていれば、それ以上電荷注入によって電荷を送り出す必要が無くなってしまう。放電が起きることによってオゾン、ＮＯｘの問題が起きることは先に述べた。また、このような放電が起きてしまっては、本発明の目的である電荷注入が満足に行われない。
【００１９】
放電はパッシェンの法則で知られているように、適当なギャップと適当な電界が空気中に発生した場合に起きる。このような条件は、帯電ブラシにおける帯電プロセスでも満たされる場合がある。例えば、複数本存在する帯電ブラシの先端も、その長さはミクロンオーダーでは均一でない。つまり被帯電体と接しているブラシ端もあれば、接していない先端も存在する。そのように被帯電体に接していないブラシ先端は、被帯電体と数μｍもギャップをあけて存在することとなる。このように、放電は通常の帯電ブラシでは起きる可能性があり、これを防止する手段が必要である。
【００２０】
帯電ブラシの細線部分の材料としては、
▲１▼ナノオーダーの細さ、
▲２▼導電性、
▲３▼耐摩擦性（機械的強度）、
▲４▼可撓性、
▲５▼化学的安定性、
▲６▼コスト、
▲７▼潤滑性
などの条件を満たしている必要がある。このような条件を満たしている材料を見出すことが、本発明の大きな課題である。
【００２１】
以上のような観点から、本発明は、オゾンやＮＯｘの問題が無い電荷注入方式を採用し、かつ従来の帯電ブラシにおける問題を解決することを課題とする。また、帯電ブラシの摩耗をできるだけ少なくし、機械寿命を向上させることを課題とする。さらに、細線の密度（ブラシの植毛密度）を上げるだけでなく、細線と被帯電体との接触面積を広くして効率の良い帯電を可能にする構成を提供し、帯電能力の向上を実現し、さらにピンホールや放電に関する問題を解決できる構成を提供することを課題とするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、被帯電体表面と接触し、この被帯電体と帯電器の間に電圧を印加することによって、この被帯電体に所定の表面電位を与える機能を持ち、前記被帯電体に接する帯電器の表面がブラシ状であり、かつこのブラシ先端を構成する線の半径が複数種類存在するブラシ帯電器において、太い方の線が帯電器にかけられている応力を吸収し、適当な弾性を持って前記ブラシと前記被帯電器との距離を一定にするように撓む機能を持っており（今後便宜上この細線を支持細線と呼ぶ）、かつ、細い方の線（便宜上細線と呼ぶ）が帯電に寄与する機能を持っており、前記被帯電体への帯電時に、前記支持細線から前記被帯電体に流れる電流に比べて、前記細線から前記被帯電体に流れる電流の方が多く、かつ前記細線は支持細線の先端に固定されていることを特徴とする。
これにより、応力を担う支持細線と電荷を注入する細線とに、線の機能を分離し、オゾンやＮＯｘの発生のない電荷注入方式を採用して、帯電ブラシの摩耗をできるだけ少なくし、細線と被帯電体との接触面積を広くして効率の良い帯電を可能にする帯電器を実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる帯電器を添付図面を参照にして詳細に説明する。
初めに本発明の基本構成と、その要素部分について説明する。この基本構成要素は、本発明の全ての実施の形態について共通に用いられているものである。その後に各々の基本構成要素の製造方法及び、各々を接合する方法について記述する。最後に本発明の実施例について述べる。
【００２４】
１．発明の構成
本発明の帯電器の基本構成の全体像を図１及び図２に示す。帯電器は基体１１１と、これに固定された支持細線１１２と、この支持細線１１２に固定化されている細線１１３とからなる。符号１１４は、支持細線１１２を基体１１１に固定するための固定層である。それぞれの部分について順に説明する。
【００２５】
（１）基体
基体１１１の機能は、導電性で電流を流し、かつ支持細線１１２を均一に強硬に固定することである。また、基体１１１と被帯電体の間には、ある一定の圧力がかけられ、これによって、支持細線１１２は被帯電体に接触している部分において、その弾性を持って曲がり、規定の押し圧になるようになっている。
この圧力も、被帯電体の長手方向に均一になるようにする必要がある。基体１１１は長手方向の末端２点で支持されていることから、その支持されている点とそこから離れた位置での押し圧が大きく変わらないように、基体１１１自体の機械強度がある程度必要となる。
【００２６】
基体１１１には導電性および強度が必要なことから、基体（本体）を樹脂で構成して機械強度を確保するとともに、固定層１１４に導電性を付与する構成として、基体（本体）と固定層１１４とで機能分離した構造とした。樹脂を選んだ理由は適当な強度が得られ、かつ軽量・廉価であり、複写機の筐体にも使われ、リサイクルの点などからメリットがあると判断されたためである。そのような観点から樹脂の材料は、ＰＣ、ＡＢＳなどリサイクルしやすいような、複写機の筐体などと同様の材料が好ましい。また、その必要な強度および軽量化から、その形状に工夫が必要である。ただし、このような樹脂に限ることなく、機械強度や、コストの面からＳＵＳ、鉄、その他の金属、合金、樹脂などとの複合材料など、基体材料としては様々なものを利用することができる。
【００２７】
この樹脂基体の下側（被帯電体側）には導電性があり、かつ支持細線を固定する固定層１１４を形成する。樹脂基体との密着性が必要であるため、樹脂基体の接着表面を適当に荒らした。
固定層１１４の長手方向末端からオーミックコンタクトをとり、配線を繋ぐ。配線は固定層１１４の両端からとり、できるだけ固定層による電圧低下の影響が帯電状態に表れないように工夫した。配線によって、被帯電体と固定層との間に電圧が印加できる。固定層の材料は、その製造方法からくる制約で決められるところが大きい。支持細線１１２との接触がオーミックであり、この部分の接触抵抗をできるだけ下げられようにする。そのため、今回は支持細線１１２にも用いられている、導電性樹脂を塗布した。ただし、この固定層には導電性があり、支持細線１１２を固定することができれば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｉｎなどの低融点金属、その他の導電性樹脂なども利用することができる。
【００２８】
（２）支持細線
支持細線１１２は基体１１１に固定され、また、先端に細線１１３を固定し、かつ基体１１１と被帯電体との間にかかる応力を、その弾性によって支持しなければならない。支持細線１１２が機能している状態を図５にイメージとして示す。支持細線１１２は応力によって適当に撓む必要がある。これによって、被帯電体と細線１１３との距離ができるだけ短かくなるように調節することができる。この場合、支持細線１１２は被帯電体に一部で接し、その応力を支持していればよく、支持細線１１２が被帯電体と積極的に大きな面積で接している必要はない。接触面積が大きくなれば、それだけ接触抵抗を低減でき、帯電能力が向上することになるが、この機能は後に述べる細線１１３が担うことになるので、その必要はない。
【００２９】
細線１１３は十分な長さがないため、できるだけ、細線１１３と被帯電体との距離は短い方がよい。そのためには、先に示した図５のように、支持細線１１２は撓んでいることが必要である。支持細線１１２が上記のように撓むためには、押し圧と支持細線１１２の植毛密度および支持細線１１２の強度（弾性力）を最適化する必要がある。支持細線１１２の弾性はその長さ、細さ、材質など決められる。今回は支持細線１１２の材料にナイロンを用いた。この他にも繊維形状にし易いものであれば、ＰＥＴ、ＰＥＳ、弾性のあるエポキシ樹脂、ポリビニルアルコール、塩化ビニル系、などが適当だと考えられる。また、このような材質に限らずとも、本発明の帯電器は形成することができる。
【００３０】
支持細線１１２は導電性をもち、かつ固定層および細線との間に大きな接触抵抗を持たないように工夫する必要がある。このため、支持細線１１２の材料としては導電性のナイロン樹脂を用いた。樹脂に導電性を持たせる方法として、カーボンブラックや金属粒子を分散させる方法がある。今回は高分子のネットワークにＴＣＮＱとＴＴＦなどの不純物をいれる方法を取った。これらの方法の方が、より微細に均一に導電性を得ることができる。カーボンブラックや金属粒子による方法では、導電性微粒子の分散の不均一性や、少なくともその粒子以下の均一性を得ることができない。これによって、固定化した細線のなかで、この導電性粒子からの距離如何によっては、基体１１１との導電性が得られないものが出てくる。画像での帯電では、ミクロン以下のオーダーは無視できるが、本発明の細線１１３には１桁から２桁近く細いものをも考えているので、このオーダーでの不均一性は、十分に考慮しなければならない。
【００３１】
支持細線１１２の抵抗値は、被帯電体の抵抗値に比べて大きいことが望まれる。これは被帯電体のピンホール対策として必要なものであり、これによって、被帯電体のピンホールに細線１１３が接触しても、そこへの電荷集中を避けることができる。帯電器の抵抗値は支持細線１１２でコントロールされていた方が、ピンホールに接した時に起きる電圧低下の領域が小さくすむ。図８の帯電器と感光体（被帯電体）との等価回路に示すように、ピンホールとしたところの抵抗が無くなり、この部分をショートした状態の等価回路で書くことができる。
【００３２】
例えば帯電器の根元でコントロールしている場合は、１部がショートすることで、帯電器全体での電圧降下を引き起こす。それに対し、支持細線１１２で抵抗をコントロールしている場合は、そのショートしている細線１１３を支持している支持細線１１２以外は影響を受けない。
つまり、図８で支持細線１１２のそれぞれの抵抗値をＲ１〜Ｒ４とすると、Ｒ１〜Ｒ４が十分大きい場合には、ピンホールができても、抵抗Ｒ１からＲ４の値に変化が無く、電圧を正常に印加することができる。これによって抵抗Ｒ１部分以外の領域に影響は至らない。つまり、ピンホールの影響は、ピンホールの個所に当たる支持細線１１２の部分のみの抵抗値に多少の変化を与えるのみで、大きな問題とならない。細線１１３での抵抗コントロールも可能ではあるが、現実問題としてこの方法には困難である。
【００３３】
細線１１３と被帯電体との接触抵抗は、両者の材質によってコントロールすることができる。接触する材質がどのようなものなのかによっても、その値は大きく異なる。実際の問題として、その接触抵抗を理論的にコントロールすることは難しいが、支持細線１１２と細線１１３とを用いた今回のものと被帯電体との間には、適当な接触抵抗が得られている。接触抵抗を測定する方法は実際に実験的に行われ、以下にその方法を説明する。
今回は面積の項を無視できるように、評価チップを同じ形状・寸法にした。今回は１ｃｍ角のチップを作り、黄銅で作られた基体１１１にそれぞれの材質の厚さを規定して形成する。また、同時にこの材質のバルク抵抗を４端子抵抗測定で算出しておく。このように作られた評価チップを用いて、実際に被帯電体もしくはそれを模したＰＥＴフィルム上に帯電させる。この時の帯電スピードを測定する。この帯電スピードは以下に示す式で決められる。
【００３４】
Ｖｓ（ｔ）＝Ｖａ×［１−ｅｘｐ｛−ｔ／（Ｒｃ＋Ｒｂｂ）Ｃ｝］
ただし、Ｒｃは接触抵抗値、Ｒｂｂは帯電器の抵抗値、Ｃは被帯電体の容量である。このように評価することによって、接触抵抗の大きさを評価することができる。このような評価方法で、細線１１３の接触抵抗Ｒｓに比べ、遥かに高い支持細線１１２の接触抵抗Ｒｂを作り込んだ。この支持細線１１２にドープしたＴＣＮＱとＴＴＦの量を変化させることで、接触抵抗をコントロールすることができる。このようにして、Ｒｂ＞Ｒｓなる条件を作成した。
支持細線１１２の形状は、帯電器の帯電能力を考えると、細線１１３をできるだけ細くし、かつ高密度に設けるという観点から定まる。これにより帯電器と被帯電体との問に発生する接触抵抗が低減できる。細線１１３をより細くし、かつ高密度にするためには、支持細線１１２にも要求されるスペックがある。
【００３５】
その１つは、より細いことである。支持細線１１２が接触する部分は、被帯電体と支持細線１１２の間に細線１１３が挟まれる部分が多いため、電荷授受に与かる部分にはなるが、細線１１３の自由移動が阻害されている領域となる。細線１１３の自由移動は本発明での接触抵抗低減には重要な機能であり、これが阻害されている領域はできるだけ狭いことが望まれる。このような理由から支持細線１１２はできるだけ細く、支持細線１１２と被帯電体が接触している領域を小さくするように設計する必要がある。支持細線１１２に要求されるスペックの２つ目として、高密度化がある。
【００３８】
細線１１３が十分に被帯電体と接するためには、支持細線１１２の密度Ｓを高くするか、または細線１１３の長さＬを長くする必要がある。しかし、細線１１３を長くすると、細線１１３にかかる応力により、細線１１３の寿命は短くなる。そのため、できれば支持細線１１２の密度Ｓを上げることが望まれる。以上のように、支持細線１１２の細線径はできる限り細いものが望まれ、かつ高密度が望まれる。この２つのスペックをできる限り満足し、製造が可能なものが現実的に作製できる帯電器となる。製造方法としては、より低コストになるように、簡便な方法が望まれる。この２つのスペックのトレードオフで決められ、適当な形状になるものを設計しなければならない。
【００３９】
（３）細線
細線１１３は、基体１１１に固定されている支持細線１１２の表面もしくはその内部によって強固に固定されている極細い線を指している。この細線１１３は帯電を施す時に、直接被帯電体に触れ、もしくは空中を介して、被帯電体に電荷の授受を行う。主な電荷の授受は直接接することで起きていると考えている。この場合、できる限り多くの面で細線１１３と被帯電体とが接することが望まれる。これによって、効率よく電荷を被帯電体に送り出すことができる。
また、細線１１３は被帯電体に直接触れることから、できるだけ摩擦の少ない材質が望まれる。通常、接触帯電器の場合、被帯電体より柔らかい材質で表面を加工し、できるだけ被帯電体を傷つけないように工夫されている。実機に良く使われるている有機系の被帯電体は、特に表面が柔らかく、このような配慮は重要である。特に近年、高精細化を実現する感光体体層の薄膜化が進んでいる。現在は数十μｍ程度の膜厚であるが、今後、数μｍ程度になるのは必至である。また、現在のクリーニングブレードによって削れる厚さが、やはり数μｍといわれ、今後このような機能をも変える必要がある。また、市場では感光体の高寿命化が要求されており、この帯電器による感光体へのダメージを低減する機能への要求は高くなっている。
【００４０】
このように感光体にダメージを与えないように、帯電器側に潤滑性を持たせる必要がある。通常の潤滑剤はオイルなどの液体状のものが多く、感光体においてもシリコーンオイルなどを利用した定着プロセスなどは有名である。本プロセスでも、帯電器と感光体間にオイルなどの液体状のものを利用することは不可能ではない。しかし、そのオイルが感光体側に残ることによって起きる、画像流れ、帯電不良、露光不良、転写不良などの問題が考えられる。そこで、本発明では帯電器側に固体潤滑性を持たせることとした。この固定潤滑剤としては、グラファイトやＭｏＳ2 、テフロンなどで見られる層状の効果でも構わない。層状の潤滑性のメカニズムは全てが明らかになったとは言い難いが、このような層状の効果によるものでも、感光体に対する悪影響はない。
【００４１】
細線１１３も被帯電体に直接触れることから、その材質として潤滑性を有したものが望まれる。カーボンナノチューブはグラファイトと同様に潤滑性を有することが期待される。先の報告では、理論計算ではあるが、ナノオーダーで発生する現象によって、転がり摩擦より、滑り摩擦のほうが小さいという報告もある。当帯電器に用いる固体潤滑剤の場合、転がり現象を用いる訳にはいかない。つまり、滑り摩擦が起きることは避けることができないが、このように、細線１１３をより細くすることで、このような潤滑性を増強できる可能性を示している。つまり、細線１１３を細くすることは接触面積を稼ぐだけではなく、摩擦係数を下げることが可能であることをも示している。
【００４２】
細線１１３には、帯電する時に電荷を流すための導電性が必要である。細線１１３の抵抗値は、被帯電体、支持細線１１２などの抵抗から決定され、設計される。帯電器トータルの抵抗値は先に示した式にも現れているが、より小さい方が帯電能力の向上からは望まれる。また、ピンホールに対する対策として、帯電器側の抵抗値を上げる必要がある。これは先に述べたように、感光体に近い側、細線でのコントロールがより望ましい。今回は、このコントロールは支持細線１１２によって行い、細線１１３に対してはできるだけ抵抗を小さくするように設計した。
【００４３】
また、接触抵抗はできるだけ低いものが望まれる。接触抵抗は先に述べたように材料に大きく依存する。また、同じ素材であっても、最表面状態が変わると変化することは予想される。最表面というと、オーダー的には数ｎｍ程度でも大きく変わることは良く知られている。例えば、抵抗値が低く、廉価なＡｌなどの金属では、通常、最表面には金属酸化物ができ、このような金属酸化物が接触抵抗に関与することはよく知られている。実験的に抵抗値の非常に低いＡｌ製の帯電ローラを試してみたことがあるが、この時には帯電能力が非常に悪かった。やはり表面の酸化物による接触抵抗が起因していると思われる。不活性なＡｕやＰｔなどの金属は、酸化物を作りにくいので、本発明の細線１１３には適していると思われる。つまり、導電性があっても、できる限り化学的に安定で酸化物などを作りにくい材料が望まれる。
【００４４】
細線１１３には非常に高い強度が必要である。特に、この性質は、寿命を向上させるために重要である。細線１１３にかかる応力は、支持細線１１２によって、基体１１１と被帯電体への押し圧からくるものは、概ね取り除くことができている。それ以外には、被帯電体との間に生成されるクーロン力によるものが大きい。これによって、この細線１１３は大きく撓んで移動するわけだが、その際にかかる応力は大きい。この応力は、帯電する時には、絶えずかかることになるから、そのような応力に耐えうる強度が必要がある。このような撓むなどの応力が常に均一に細線１１３にかかり、一つの箇所に応力が集中にないように、細線１１３は均一の物質から構成されていることが望まれる。極論をいえば、均一な完全結晶のように、格子が欠陥なく並んでいることが望まれる。その意味でも、無機物の高純度の高結晶性を持ったものなどは適しているかもしれない。
それとは相反して、適当な弾性または復元力を有し、応力をいなせるような構造物でも構わない。例えばゴム性の大きな弾性を持ったものであれば、応力をいなすことができる。これは、本発明の帯電器の構造によるものであるが、クーロン力も絶えずかかっているわけではなく、一度、被帯電体に細線１１３が接してしまい、電荷の授受が行われれば、その後は力がかからなくなり、細線１１３内部にある応力は緩和される。
【００４５】
寿命を短くする要素として、被帯電体との摩擦によるものがある。基本的に細線１１３は被帯電体に密着し、クーロン力などにより被帯電体に押し付けられる。この時、固定潤滑作用を持たせていることにより、摩擦をできる限り低減している。また、クーロン力がかかる時間は長い時間ではなく、電荷の授受が終了すれば、その引き付ける力がなくなる。これによって、被帯電体の回転による、振動もしくは衝撃によって、すぐさま被帯電体から細線１１３は引き離されることになる。細いほうが良いことを先に述べたが、この細さへの要求と強度に対する要求とはトレードオフの関係になるのかもしれない。この関係においても十分な細さと強度を兼ね備えた材料を探し出すことが非常に重要である。
【００４６】
さらに、磁気力で連結した１００μｍレベルの鉄粒子などを媒体に帯電する方法がある。一般に帯電磁気ブラシと呼ばれ、多くの研究が成されている。この場合、鉄粒子は磁気力で連結されているが、感光体側はフリーになっている。この状態で帯電を行うと、その自由になっている端はクーロン力によって大きく移動することになる。この移動は帯電していない個所にクーロン力によって引き付けられ、そこで接触帯電を施す。また、その後、帯電が完了するとまた次の領域に移動する。これは高効率帯電機構として非常に魅力的な機構である。本発明の実施の形態では、この機構を従来の帯電ブラシに付加したところが従来とは異なっている。
【００４７】
このような現象を実現するために、細線１１３には適当な弾性が必要である。細線１１３の弾性は、クーロン力によって決められる。ここで細線１１３に必要な弾性力を以下のようなモデルの下で考えた。細線１１３と感光体は図９に示したように、ある距離ｘを置いてほぼ平行に位置している。これは支持細線１１３に弾性を持たせ図９に示したように感光体にほぼ平行になることが可能なことから、ｘの長さは支持細線１１２の半径Ｒ0 に等しくしている。
この細線１１３と感光体との間には帯電させるべく、印加電圧Ｖ１がかけられる。この印加電圧によって生成される電界は、その細線１１３からの距離、および電圧から以下の式でかける。
【００４８】
Ｅ＝Ｖ１／ｘ
【００４９】
この時、細線１１３は非常に細く、それに対して感光体面が無限大に広いと考えられることから、細線１１３と感光体の間には均一電界が生じていると仮定する。
この電界によって、細線１１３にかかるクーロン引力は、空気中での誘電率をε0 とすると、以下のように計算することができる。
【００５０】
Ｆ＝ε0 ｒＥ2
ただし、この時、細線１１３は便宜上、幅２ｒの平行平板と見做して換算した。この式で得られた力によって、細線１１３が移動すれば良い。この時に、この力Ｆに抗する力は細線の弾性係数ｋによっている。ただし、弾性係数ｋは図９に示すように細線の根元からＬの距離における横方向への弾性率を定義している。この点での弾性力をＦａとすると、
【００５１】
Ｆａ＝−ｋｙ
ただし、ｙは細線１１３が外力なく直線になっている静止点からそれに垂直に移動した時の距離である。これにより、この式からＦ＞Ｆａが成り立つとき、細線１１３はクーロン力によって移動することになる。よって、次の式
【００５２】
ｋＲ0 ＜ε0 ｒＥ2
が満足されることで、細線１１３は移動するといえる。
【００５３】
すなわち、電界を電圧で換算すると
【００５４】
ｋ＜ε0 ｒＶ2 Ｒ0 -3
となる。
例えば、Ｖを１００Ｖ（段階をかけて帯電させることを考慮した）で、Ｒ0 を５０μｍとしても、ｒを３０ｎｍとすると、
【００５５】
ｋ＝２．１Ｅ−２［Ｎ／ｍ］
と計算できる。
ちなみに、カーボンナノチューブの場合、０．５ミクロンで半径が３０ｎｍの場合、ｋは０．５［Ｎ／ｍ］という実測値が、EricW.WongらによってＳｃｉｅｎｃｅ２２７（１９９７）、１９７１に発表されている。
【００５６】
通常、シリンダー状の物質には次の式が成り立つ。
【００５７】
ｋ＝３πｒ4 Ｅ0 ／（４×ｌ3 ）
ただし、Ｅ0 はヤング率、ｌは物質の長さ、ｒは半径である。
先の実験結果から、ｒ＝３０ｎｍφのカーボンナノチューブの場合、αを以下のように定義すると、
ｋ＝α／ｌ3
αは約６．２５×１０-20 ［Ｎｍ2 ］と計算できる。この概算から、このカーボンナノチューブが１．５μｍの長さがあれば、ｋは１．８５［Ｎ／ｍ］となる。この値は先のｋ＜ε0 ｒＶ2 Ｒ0 -3を十分満足している。
【００５８】
細線１１３の構成材料に必要な要素として、製造コストがある。極細い材料については、いくつか研究レベルで考えられているが、実際に本発明で用いるような生産レベルに達している材料は少ない。しかし、本発明では通常のコロナ帯電器などの代用を考えると、同レベルのコストパフォーマンスが望まれる。
【００５９】
以上に示してきたように、細線に対する要求として、
▲１▼細さ（ナノオーダー）、
▲２▼導電性、
▲３▼耐摩擦性（機械的強度）、
▲４▼可撓性、
▲５▼化学的安定性、
▲６▼コスト、
▲７▼潤滑性
を兼ね備えた材料が必要である。このような条件を満たす材料としては、金属製のウィスカーやＷＳ２のナノチューブやＣＢのナノチューブなどさまざまなものが考えられる。しかし、全ての面でバランス良く、このような特性を持っているものはカーボンナノチューブだと思われる。
【００６０】
（４）カーボンナノチューブ
カーボンナノチューブはその名の通り、ナノオーダーの径をもち、かつミクロンオーダーの長さを持っことで知られ、近年、１９９１年ＮＥＣ基礎研究所の飯島澄男氏によって発見された。材質はカーボンのグラファイト層をシームレスに筒状にしたもので、その層も単層から数百層の多層まで様々な種類がある。また、先端はカーボンの５員環などを含んで閉管しているものや、そのまま開管しているものなど様々である。
その生成方法は、当初、アーク放電法によるものであったが、より高効率の金属触媒を用いたＣＶＤ法やレーザーアブレーション法などによって、大量に作られるようになり、身近な材料になりつつある。
【００６１】
基礎物性に関する研究も、その特異な形状から発見当初より精力的になされ、特にその電気的特性が金属的であったり、半導体的であったりすることは、第一原理計算から予想された。その他にも、その機械強度が非常に高いことや鋭利に屈曲しても破断せずに元に戻ることなど、サイズが小さく評価が困難であるにも関わらず、様々なことが判ってきた。また、表面がグラファイト層で形成されていることから、非常に化学的に安定であることが知られる。
その反面、エポキシ樹脂等の樹脂中には適当に分散するし、このカーボンナノチューブとこれら樹脂との密着性はかなり高く、硬く固定できようになっている。このため、ナノサイズではあるが、樹脂に埋め込むなどして、ハンドリングも容易にできるようになってきている。また、その材料がグラファイトに近いことから固体潤滑剤としてのポテンシャルをも持ちあわせている。その上、先の報告ではナノオーダーでの摩擦係数は、転がり摩擦より滑り摩擦の方が小さいというものもある。カーボンナノチューブの潤滑性についての報告は、まだ多くはなされていないが、潤滑剤としてのポテンシャルの高いことは期待されている。
【００６２】
応用面では、そのアスペクト比が大きいことと、導電性とから、高い不平等電界を生成することができ、フィールドエミッション型ディスプレーの電界放出源として注目されている。また、その表面性の高さから、従来活性炭などが用いられていた電池の電極や、ガス吸着物質としても注目を集めている。機械強度を利用した例としては、樹脂強化のために樹脂に分散させた報告（O.Lourie  Ａ．Ｐ．Ｌ．７３（１９９８）３５２７）や、ミクロ世界においてのアクチュエータヘの応用の報告（Ray H.Baughman  Ｓｃｉｅｎｃｅ２８４（１９９９）、１３４０）がなされている。
【００６３】
また、カーボンナノチューブの弾性係数は大阪府立大（第４６回応用物理学会予稿集２９ａＨ５）などでも測定されているが、通常、ＳＰＭ（スキャンニング・プローブ顕微鏡）などを応用した方法で測定される。そのようなデーターべースから、今回用いた形状で、ｋは６ｅ−８［Ｎ／ｍ］以下になることは確かめられる。このｋの値であれば、細線１１３が短手方向に撓む機能が働くことになる。
【００６４】
以上、述べてきたようにカーボンナノチューブは先の細線に対する要件を概ね満たしており、本発明ではこの材料が最適であると考えている。また、カーボンナノチューブは、先の細線に対する要件を概ね満たしており、本発明では、この材料が最適であると考えている。しかし、本発明では上の要件をすべてクリアしなければならないわけではないので、カーボンナノチューブに限らず、その他の炭素繊維、ＷＳナノチューブ、ＣＢナノチューブ、ＳｉＣナノチューブ、金属ウィスカーなどの極細い繊維であれば、適用することができる。
【００６５】
２．製造方法
ここでカーボンナノチューブの製造方法について簡単に述べる。
単層カーボンナノチューブは、陽極としてのグラファイトにＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｌａ、Ｙ等の金属媒体を混合したコンポジット棒を用い、陰極にはグラファイト棒を用い、１００〜７００Ｔｏｒｒ（１．３３×１０4 Ｐａ〜９．３１×１０4 Ｐａ）のＨｅまたはＨ2 の雰囲気でのアーク放電により合成する。単層カーボンナノチューブは金属触媒の種類によってチャンバー内壁の煤（チャンバー煤）か、陰極表面の煤（陰極煤）の中に存在する。
【００６６】
また、上記のコンポジット棒を、電気炉中で１０００〜１４００°Ｃに加熱し、５００Ｔｏｒｒ（６．６５×１０4 Ｐａ）のＡｒ雰囲気で、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザから光を照射して単層カーボンナノチューブを合成してもよい。合成した単層カーボンナノチューブは、種々の不純物を含むため、水熱法、遠心分離法、限外ろ過法等によって、８０％以上の純度に精製するのが良い。
【００６７】
一方、多層カーボンナノチューブは、陰極、陽極ともグラファイト棒を用い、１００〜７００ＴｏｒｒのＨｅ雰囲気でのアーク放電を用いて合成する。多層カーボンナノチューブは陰極上の円柱状堆積物の中心に存在する。また、ベンゼン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素をＨ2 ガス流下で１０００〜１５００°Ｃで熱分解することによっても多層カーボンナノチューブが得られる。
【００６８】
多層カーボンナノチューブも、合成後は種々の不純物を含まれるため、有機溶媒や界面活性剤が添加された水溶液に分散した後、遠心分離法や限外ろ過法等によって高純度に精製するのが良い。
なお、カーボンナノチューブは一般的に炭素原子のみで構成されているが、構成原子の一部が他の原子、例えば、Ｂ、Ｎ、Ｓｉ等で置換されていても、金属性、半導体性の導電性を持つ限り、本発明に含まれるものとする。また、カーボンナノチューブの中空チューブ内に他の原子、例えば、金属原子やＩＩＩ族、Ｖ族のドーパント等が封入されていても差支えないものとする。
【００６９】
３．実施の形態
実施の形態（１）
本発明の実施の形態の基本構成の概要を図１に示す。帯電器は基体１１１、支持細線１１２および細線１１３からなっており、基本要素の構成、製造方法については以上に述べた通りである。
【００７０】
基体１１１は、通常の複写機などの筐体のように、鋳型に流し込み成形して作製する。樹脂の材料としてはＡＢＳを用いリサイクルを可能にした。形状は固定層１１４成形面を３００×１０ｍｍの長方形とし、裏面には、機械強度を強化するために柱になるような部材を付け加えた。これにより、厚みを１０ｍｍ程度に抑えることができる。
樹脂で形成された基体１１１に固定層１１４を形成する。固定層１１４の膜厚は５００μｍ程度で、コーターによって塗布する。固定層には、先に述べたナイロン樹脂を用いた。今回用いたナイロン樹脂は低融点のもので、約１００℃程度で融解する。ナイロンにはＴＣＮＱとＴＴＦをそれぞれドープしており、バルク抵抗で１０2 Ω・ｃｍ程度に調節した。塗布した面のラフネスは５０μｍレベルになるように、基体樹脂及び塗布する条件を選んだ。このように塗布されたナイロンは雰囲気が１００℃であれば、十分溶融状態を保っている。
【００７１】
ここで基体１１１の裏にホットブレートを設置し、基体樹脂側から１３０℃で加熱する。雰囲気は８０℃程度に保ち、固定層の表面は粘性を高めるが、硬化はしないぎりぎりの状態になる。このような半溶融状態であるナイロン膜に、個別に作られたナイロン繊維を植毛する。植毛するナイロン繊維は直径１０μｍ、長さ２ｍｍに揃えられている。このナイロン繊維１本の抵抗値は３×１０3 Ωに規定している。これにより、支持細線１１３が１２０本／ｍｍ2 の密度を持っているとすると、帯電器として１×１０9 Ωの抵抗を持つことが予想される。これは先程と同じようにＴＣＮＱとＴＴＦのドープ量で調節できる。
【００７２】
また、固定層と支持細線１１２であるナイロン繊維はオーミックコンタクトがとれ、ほぼ接触抵抗が無いことが確かめられている。これは同種類の材料を用いることで行うメリットである。植毛は、静電気による方法を採用した。植毛した後に、ホットプレートから外し、室温冷却することでナイロンは硬化し、固形物となる。この時、支持細線１１２は融解することなく、初期の形状を保ったまま、固定層に固定される。固定層１１４と支持細線１１２の界面では、多少融解していることが考えられるが、電気抵抗などは間題なく、強硬に固定できる。
【００７３】
この時に植毛される密度は、１２０本／ｍｍ2 に規定する。植毛された支持細線１１２の先端は均一になるように揃える。揃え方は１２０℃程度に加熱している金属面に、ゆっくりと接触させることで、他より長い支持細線だけ溶融し、変形させることで、長さを均一にすることができる。これによって植毛された支持細線１１２は、０．１ｍｍ程度のバラツキで、均一の長さになる。
【００７４】
このようにして支持細線１１２が形成された状態で電気伝導度及び接触抵抗を測定する。この場合、この状態で金属電極に接触させてＩＶカーブ測定もしくはＣＶ測定を行う。これによって、支持細線１１２が持つ電気抵抗を測定することができる。今回の抵抗は３００×１０ｍｍ角のもので１×１０9 Ωとなった。感光体の抵抗値が同じサイズで、２×１０8 Ω（体積抵抗率１×１０12Ω・ｃｍ、厚さ５０μｍ）であることから、支持細線の抵抗値Ｒｂｂに対し被帯電体（感光体）の抵抗値Ｒｐｈが
【００７５】
Ｒｂｂ＞Ｒｐｈ
なる条件を満足している。支持細線１１２のドープ量などを変えて、この値を調整することで、この条件をコントロールすることができる。
【００７６】
また、支持細線１１２を感光体に接触させて、感光体と帯電器間に電圧を印加し、表面電位と印加電圧およびその時定数を評価する。これによって支持細線１１２と感光体との接触抵抗を評価することができる。今回得られた接触抵抗は１×１０10Ωである。この値とカーボンナノチューブを生成したときの接触抵抗とを評価して、支持細線１１２の被帯電体に対する接触抵抗Ｒｂと、細線１１３の被帯電体に対する接触抵抗Ｒｓの間で
【００７７】
Ｒｂ＞Ｒｓ
なる条件が満足されていることが確かめられる。
【００７８】
このように形成されている支持細線１１２にカーボンナノチューブを植毛する。植毛方法として、今回は電気泳動法およびエポキシ樹脂による固定化を採用した。この方法は、カーボンナノチューブをクーロン力によって配列することができる利点がある。エポキシ樹脂には導電性があり、９０℃程度で硬化する、弾性のあるタイプのものを利用した。カーボンナノチューブにはアーク放電による多層タイプのもので、長さが１００〜１５０μｍ、直径は１０〜２５ｎｍに揃えたものを利用した。カーボンナノチューブは遠心分離によってクラスタリングされ、最終的にほぼ同様な形状のものを選んだ。
【００７９】
先ほどの固定層に固定された支持細線１１２にエポキシ樹脂を塗布する。エポキシはこの様態では粘性が低いので支持細線１１２を濡らすような感じである。また、このエポキシは導電性を持たせているので、電極として支持細線１１２を利用することができる。カーボンナノチューブを５ｗｔ％程度、ＩＰＳに分散させて、３００×１５ｍｍ、深さが２．１ｍｍの容器に入れる。容器の底は導電性の金属によって作られており、裏面から電極を取ってある。この容器の上に先に作成したエポキシ樹脂を塗布した支持細線１１２を入れる。支持細線１１２の長さは２ｍｍに均一であるから、下の電極とは接しない。
【００８０】
この状態で電圧を印加し、カーボンナノチューブを電気泳動で支持細線１１２に接触させる。十分時間をかけ、実際に移動し、接触している状態でＩＰＳを加熱蒸発させ、べークによってエポキシを硬化させる。カーボンナノチューブの密度はＩＰＳの分散液おける濃度や印加時間と印加電圧によって制御できる。
【００８１】
基本仕様
（１）基体
寸法：３００×１０×１０ｍｍ、材質：ＡＢＳ樹脂
感光体への押し込み：０．５ｍｍ
固定層材質：ＴＣＮＱとＴＴＦをドープしたナイロン樹脂
固定層幅：８ｍｍ
固定層厚み：０．５ｍｍ
（２）支持細線
直径：１０μｍ、長さ：２ｍｍ、密度：１２０本／ｍｍ2
材質：ＴＣＮＱとＴＴＦをドープしたナイロン繊維
（３）カーボンナノチューブ
直径：１０〜２５ｎｍ、長さ：１００μｍ以上
材質：多層カーボンナノチューブ
合成法：アーク放電
精製：遠心分離法と限外ろ過法の併用
（４）導電性接着剤
材質：熱硬化型エポキシ系導電性接着剤
【００８２】
上記の帯電ブラシを−５００Ｖの直流電源に接続し、ＣＴＬ／ＣＧＬ／ホール注入阻止層／Ａ１基体からなるＯＰＣに接触させて帯電を行う。
なお感光体の周速は３００ｍｍ／ｓなので、帯電ブラシと感光体の接触時問は０．１ｓとなる。感光体は帯電ブラシと接触する間に−４４０Ｖまで帯電され、導電性繊維にカーボンナノチューブを接続した帯電ブラシが十分な帯電能力を持つことが確認された。また感光体の長手方向での帯電電圧のバラツキは５％以内であり、十分な均一性が得られた。
【００８３】
実施の形態（２）
本実施の形態の特徴は図３、図４に見られるように、印加電圧を段階に別けて印加することにある。帯電器は３つの部分に別けられ、それぞれの間には絶縁フィルム１１５を挿入し、電気的に接触しないようにする。絶縁フィルム１１５は柔軟性のあるＰＥＴフィルムで作り、厚さ０．５ｍｍのものを利用した。長さは支持細線１１２とほぼ同じになるようにし、かつ感光体には触れないように設計した。
固定層１１４を塗布する時にパターニングし、それぞれの部分の問に０．５ｍｍ程度の隙間を形成しておく。ＰＥＴ絶縁フィルム１１５は固定層１１４に支持細線１１２を植毛した後に、その隙間に設置する。それぞれの固定層部分から電極をとり、これによって、それぞれの部分に独立に電圧を印加することが可能となる。それぞれの電極は、感光体の裏面電極をアースとして、それぞれ、−２００Ｖ、−４００Ｖ、−５００Ｖに設定した。
【００８４】
基本仕様
（１）基体
材質：ＡＢＳ樹脂、幅：２ｍｍのものを３ブロック
感光体への押し込み：０．５ｍｍ
（２）絶縁フィルム
ＰＥＴフィルム：厚さ０．５ｍｍ
（３）固定層：ＴＣＮＱとＴＴＦをドープしたナイロン樹脂
（４）支持細線
直径：１０μｍ、長さ：２ｍｍ、密度：１２０本／ｍｍ2
材質：ＴＣＮＱとＴＴＦをドープしたナイロン繊維
（５）カーボンナノチューブ
直径：１０〜２５ｎｍ、長さ：１００μｍ以上
材質：多層カーボンナノチューブ
合成法：アーク放電
精製：遠心分離法と限外ろ過法の併用
（６）導電性接着剤
材質：熱硬化型エポキシ系導電性接着剤
（７）印加電圧
−２００Ｖ、−４００Ｖ、−５００Ｖ
【００８５】
放電の有無はオゾン量で観測する。オゾンに関しては全く検出されず、効果があることが確認できた。上記の帯電ブラシを−５００Ｖの直流電源に接続し、ＣＴＬ／ＣＧＬ／ホール注入阻止層／Ａｌ基体からなる感光体に接触させ帯電を行った。
なお、感光体の周速は３００ｍｍ／ｓなので、帯電ブラシと感光体との接触時間は０．１ｓとなる。感光体は帯電ブラシと接触する間に−４４０Ｖまで帯電され、導電性繊維にカーボンナノチューブを接続した帯電ブラシが十分な帯電能力を持つことが確認された。また感光体の長手方向での帯電電圧のバラツキは５％以内であり、十分な均一性が得られた。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１の発明は、被帯電体表面と接触し、被帯電体と帯電器に電圧を印加することによって被帯電体に所定の表面電位を与る機能を持ち、被帯電体に接する帯電器の表面がブラシ状であり、かつブラシ先端を構成する線の半径が複数種類存在するブラシ帯電器において、太い方の線が帯電器にかけられている応力を吸収し、適当な弾性を持って前記ブラシと前記被帯電器との距離を一定にするように撓む機能を持っており（支持細線）、かつ、細い方の線（細線）が帯電に寄与する機能を持っており、前記被帯電体への帯電時に、前記支持細線から前記被帯電体に流れる電流に比べて、前記細線から前記被帯電体に流れる電流の方が多く、かつ前記細線は支持細線の先端に固定されていることを特徴とする。
【００８７】
このように、ブラシ先端を間隔を保つように支持する支持細線と、電荷注入を行う細線とに機能分離した。これにより、細線にはブラシを支持するための応力がかからず、細線に応力による疲労が蓄積することがなくなり、切れることが少なくなる。したがって、寿命を持たせるだけの強度が細線には不必要になり、強度の弱いより細い線を利用できるようになる。細線を細くすることから、細線をより高密度に被帯電体に接触させることができ、帯電能力が向上する。また、押し当て応力を支持細線が担うことで、細線にはそれに抗する力は必要性が無くなるため、細線には自身を維持するだけの強度だけで良くなり、非常に柔らかい弾性のある素材などの選択肢が広がる。接触領域が大きい細線の強度を小さくすることができるため、被帯電体に対する機械的なダメージが低減でき、被帯電体の寿命も向上する。
【００８８】
本発明の請求項２の発明は、支持細線の間隔に対して、細線の長さが十分長く、支持細線の隙間を埋めるように構成されていることを特徴とする。
【００９２】
つまり、支持細線間にある領域を全て細線で満たすことにより、被帯電体に細線が接することが無い領域がなくなり、帯電不良の領域が無くなり、効率の良い帯電が可能になる。
【００９３】
本発明の請求項３の発明は、細線のうちブラシ先端を構成するものに摺動性を持たせる。これにより、摩擦による不具合を解消することができる。
【００９４】
本発明の請求項４の発明は、細線のうちブラシ先端を構成するものの機械強度を他のものより大きくすることを特徴とする。これにより、機械的な破壊を防止でき、寿命を長くすることができる。
【００９５】
本発明の請求項５の発明は、帯電時に支持細線から被帯電体に流れる電流に比べて、細線から被帯電体に流れる電流の方が多いことを特徴とする。また、本発明の請求項６の発明は、支持細線の被帯電体に対する接触抵抗Ｒｂと、細線の被帯電体に対する接触抵抗Ｒｓとの間にＲｂ＞Ｒｓなる関係があることを特徴とする。先には等価回路を図６のように描いたが、実際には接触抵抗が大きく関与しており、図７のようになる。そこで、このように接触抵抗をコントロールすることによって、支持細線から被帯電体に流れる電流が低減でき、支持細線に電流が流れなくなることにより、電流のパスは全て細線側に流れるようにする。これにより、細線と被帯電体との面積を大きく取っているメリットが発揮でき、効率よく電荷注入を行うことが可能になる。これにより、効率のよい帯電を行うことができる。接触抵抗はその材質や表面状態等から制御することができる。
【００９７】
本発明の請求項７の発明は、被帯電体と帯電器表面の間隔と電位差が放電電圧を越えないように構成されている。また、本発明の請求項８の発明は、被帯電体と接触している帯電器のニップ領域の内部において、そのニップ領域の入り口側における帯電器の印加電圧Ｖ１とニップ領域の出口側での印加電圧Ｖ２との間にＶ１＜Ｖ２なる関係があることを特徴とする。
【００９８】
これらにより、絶えず帯電器と被帯電体との電位差を自由に調節することができる。放電はある電位差が生じた時、始めて起きる現象である。よって、絶えず放電開始電圧以下であるように電圧を調節する。例えば、放電電圧が３００Ｖとして、帯電電圧を５００Ｖ要求されているとした場合、従来の方法では５００Ｖ印加して当然放電が始まってしまう。しかし、本発明の段階電圧印加では、この電圧印加を３段階に分け、初めに、２００Ｖの電圧を印加し、被帯電体の表面を２００Ｖまで帯電し、次のブロックでは更に２００Ｖ印加し、被帯電体の電位は足されて４００Ｖとなる。最後のブロックではさらに１００Ｖ印加して、最終的に５００Ｖを得ることができる。このプロセスで、放電開始電圧の３００Ｖを越えること無く、５００Ｖ帯電することができる。
【００９９】
これにより、接触面積を向上させて、帯電能力を上げることができることになる。つまり、通常の帯電器では被帯電体の回転方向に対し、反対方向に回転させて接触面積を稼いでいる。この場合、帯電ブラシも回転するローラー形状を形成しなければならない。ローラー形状では、１つのローラー内で印加電圧を段階状にすることができない。そのため、同様な構造を得るためには、ローラーを複数作り込む必要が出てくる。しかし、設計上、よりコンパクトにしなければならない要求がある中、複数のローラーを入れ込むことは難しい。
【０１００】
本発明の請求項９の発明は、帯電を施すために帯電器に印加された電圧によって生成される被帯電体と帯電器の間に起きるクーロン力によって、細線が移動することを特徴とする。これにより、細線が帯電電位によるクーロン力によって自由に動くことを可能にすることで、帯電がなされていない領域には引力が働き、その部分に細線が移動し、接触することになり、電荷の授受が行われ、帯電がなされていない領域に帯電が施されることになる。また、既に帯電している領域にはクーロンによる斥力が働き、その領域には細線は移動しない。このように、細線がクーロン力によって自由に移動できれば、効率よく帯電させることができる。また、接触しても細線に一定の電圧が印加されているために、一定以上の電圧を感光体に与えることが無い。これにより、帯電電位に斑が発生することがなくなり、画像斑がなくなる。
【０１０１】
本発明の請求項１０の発明は、細線が短手方向に撓むことによって細線の移動が起こることを特徴とする。このように、移動する機能を積極的に構築するより、細線自体が容易に撓むことで、簡便にこの機能を付加することができる。構成が簡便であることから、安価で故障などが起きにくいという利点を得ることができる。移動する際にかかる細線への応力が撓むことで分散され、また、一個所が屈曲することが無く、その部分からの破断などがなくなる。このため細線の寿命が伸びる。撓むことで、鋭利な部分が感光体に接触することが無く、ソフトな接触になり、感光体に対するダメージが減少する。また、この構造により、細線には強度が必要ない。そのため、この条件を満たす十分に撓む素材を選び得る。
【０１０５】
本発明の請求項１１の発明は、細線をカーボンナノチューブとすることを特徴とする。カーボンナノチューブは、その形状から非常に細いことが知られている。また、その構造から機械強度が高いと同時にそのアスペクトの大きさから十分に撓むことが知られている。また、鋭利に曲がっても、簡単には破断しないことが知られている（Ｍ．Ｒ．Ｆａｌｏｖｏ Ｎａｔｕｒｅ３８９（１９９７）、ｐ．５８２）。作成方法も近年、非常に簡便になり、他の細線に比べ、容易に入手できるようになった。また、カーボンナノチューブはカーボン単体でできていることから、貴金属でできているウイスカーのような細線に比べ、環境にやさしい。さらに、構造上グラファイトを筒状にしていることから、表面にダングリングボンドが存在しない。これによって化学的に安定であり、酸化物などを表面に形成しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の基本構成を示す概要図。
【図２】図１に示す実施の形態の基本構成を示す拡大図。
【図３】本発明の他の実施の形態の裏面図。
【図４】図３に示す実施の形態の基本構成を示す概要図。
【図５】支持細線と細線の動作中のイメージ図。
【図６】支持細線と細線と感光体との等価回路。
【図７】支持細線と細線と感光体との等価回路。
【図８】帯電器と感光体との等価回路。
【図９】細線にかかる力のモデル図。
【符号の説明】
１１１    基体
１１２    支持細線
１１３    細線
１１４    固定層
１１５    絶縁フィルム
【図１】
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【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】
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