JP6278018B2 - 帯電装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、帯電装置及び画像形成装置に関し、特に、帯電に伴うオゾンや窒素酸化物などの放電生成物の発生を抑える技術に関する。

従来、電子写真の技術分野においては、帯電素子から電子を放出させて、静電潜像の形成に先立って感光体表面を帯電させる帯電装置が用いられる。
帯電素子としては、電子放出特性に優れる材料が好適である。電子放出材料としては、材料分子から比較的自由に外に飛び出すことのできる不対電子を比較的多く持ち、エネルギーの比較的小さな電界や熱などを加えることによって電子を放出することができるものが好ましい。

カーボンナノチューブ（CNT: Carbon Nanotube）やカーボンナノホーン、グラフェン、グラファイト等のｓｐ²炭素が結合して形成されたｓｐ²型カーボン物質や、ダイヤモンドといった所謂カーボン物質は高い電子放出特性を示すことから、近年、帯電素子にカーボンナノチューブを採用した帯電装置が検討されている。
例えば、電子写真の技術分野において主流になっているコロナ放電方式の帯電装置においては、櫛歯状や鋸歯状のコロナ電極の突起の先端部分にカーボンナノチューブを植毛したり、コロナ電極そのものを１本以上のカーボンナノチューブの紡績糸で組成したりする構成が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

また、カーボンナノチューブを採用した電界放出（FE: Field Emission）方式の帯電装置も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。この提案は、絶縁膜に形成された細孔の開口部側に設けられた引出電極に電圧を印加し、当該細孔中に配設されたカーボンナノチューブから放電させることによって帯電を行うというものである。
これらのようにすれば、高い電子放出特性を有するカーボンナノチューブを帯電素子として利用することができる。

特開２００６−０８４９５１号公報 特開２００９−２５１６０１号公報 特開２００２−２７９８８５号公報 特開２００９−１９６８７３号公報 特開２０１３−２１６５７８号公報 井上 翼、「連続乾式紡績によるカーボンナノチューブ紡績糸」、日本画像学会誌 第５３巻 第１号：７１−７６（２０１４）

しかしながら、帯電素子としてカーボンナノチューブを採用しても、コロナ放電方式は、１ｋＶ前後またはそれ以上の高電圧の印加が必要となることから、オゾンやＮＯｘ等の放電生成物を大量に発生する。電界放出方式においても、引出電極に１．５ｋＶもの高電圧を印加する必要があり、やはり放電生成物の大量発生を免れることができない。
放電生成物は感光体等に付着して画質を劣化させるおそれがある。また、放電生成物が機外へ拡散するのを防止するためにはフィルター等が必要となるため、装置コストの上昇を招く、という問題がある。

本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、高い電子放出特性を示すカーボン物質を用いながら、放電生成物の発生を抑制することができる帯電装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る帯電装置は、被帯電体表面を帯電させる電界放出型の帯電装置であって、帯電素子と、前記帯電素子に電流を供給する給電手段と、電圧が印加されると電界を発生させて、前記帯電素子に放電させる引出電極と、を備え、前記帯電素子は、ｓｐ²型カーボン物質の単分子が複数本結合することによって形成されたフィラメントを、更に複数本結合されてなり、密度が０．４ｇ／ｃｍ³以上であり、シート形状であることを特徴とする。

このようにすれば、ｓｐ²型カーボン物質の単分子が複数本結合することによって形成されたフィラメントを、更に複数本結合されてなり、密度が０．４ｇ／ｃｍ³以上である帯電素子を用いるので、放電生成物の発生を抑制することができる。
この場合において、前記フィラメントは、直径が４０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲内であるのが望ましく、前記ｓｐ²型カーボン物質の単分子は、分子長が０．８ｍｍ以上、２．１ｍｍ以下の範囲内であるのが好適である。

前記給電手段は、金属板であって、前記帯電素子は、前記金属板に受電可能に固定されていてもよい。また、前記ｓｐ²型カーボン物質はカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラフェン及びグラファイトの何れかであるのが望ましい。
また、前記帯電素子に放電させる際に、当該帯電素子並びに前記引出電極に印加される電圧は、接地電位からの電位差が１ｋＶ以下であるのが好適である。

本発明に係る画像形成装置は、表面が一様に帯電した感光体を露光して静電潜像を形成し、当該静電潜像を現像して得られたトナー像を記録シートに転写し、定着する画像形成装置であって、請求項１から１０の何れかに記載の帯電装置を備え、本発明に係る帯電装置によって、前記感光体表面を一様に帯電させることを特徴とする。このようにすれば、上述のような効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る画像形成装置の主要な構成を示す図である。 帯電装置１００の主要な構成を示す断面図である。 帯電装置１００の主要な構成を示す断面図である。 ＣＮＴ分子の製造装置の概略を示す図である。 図５は、ＣＮＴ糸２００ａを製造する装置の概略を示す図であって、（ａ）は甘撚りＣＮＴ糸の製造装置を示し、（ｂ）は合わせ撚りＣＮＴ糸の製造装置を示す。 ＣＮＴ糸２００ａの電子顕微鏡写真である。 帯電素子２００の評価実験に供したＣＮＴ分子の特性を一覧する表である。 ＣＮＴ糸２００ａを用いた帯電素子２００の評価結果を一覧する表である。 従来技術に係る帯電装置の評価結果を一覧する表である。 第２の実施の形態に係る帯電装置１００の主要な構成を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る帯電装置１００の主要な構成を示す断面図である。 ＣＮＴシート１０００の電子顕微鏡写真である。 ＣＮＴシート１０００を用いた帯電素子２００の評価結果を一覧する表である。

以下、本発明に係る帯電装置及び画像形成装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［１］第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態に係る画像形成装置は、帯電素子としてカーボンナノチューブ紡績糸（以下、「ＣＮＴ糸」という。）を用いることを特徴とする。

（１−１）画像形成装置の構成
まず、本実施の形態に係る画像形成装置の構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る画像形成装置の主要な構成を示す図である。図１に示されるように、画像形成装置１は、所謂タンデム型のカラー複合機（MFP: Multi-Function Peripheral）であって、原稿読取部１１０、画像形成部１２０及び給紙部１４０を備えている。原稿読取部１１０は、原稿台トレイ１１１に載置された原稿を自動原稿搬送装置（ADF: Automatic Document Feeder）１１２にて搬送しながら、光学的に読み取って画像データを生成する。画像データは後述の制御部１２２に記憶される。

画像形成部１２０は作像部１２１Ｙ〜１２１Ｋ、制御部１２２、中間転写ベルト１２３、２次転写ローラー対１２４、定着装置１２５、排紙ローラー対１２６、排紙トレイ１２７、クリーナー１２８及びタイミングローラー対１２９を備えている。また、画像形成部１２０にはＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（ブラック）各色のトナーを供給するトナーカートリッジ１３０Ｙ〜１３０Ｋが装着されている。

作像部１２１Ｙ〜１２１Ｋは、それぞれトナーカートリッジ１３０Ｙ〜１３０Ｋからトナーの供給を受けて、制御部１２２の制御の下、ＹＭＣＫ各色のトナー像を形成する。例えば、作像部１２１Ｙは、感光体ドラム１３１、帯電装置１００、露光装置１３２、現像装置１３３及び清掃装置１３４を備えている。制御部１２２の制御の下、帯電装置１００は感光体ドラム１３１の外周面を一様に帯電させる。露光装置１３２は画像データに応じて感光体ドラム１３１の外周面を画像露光して、静電潜像を形成する。

現像装置１３３は、感光体ドラム１３１の外周面にトナーを供給して、静電潜像を現像（顕像化）する。１次転写ローラー１３５には、転写電圧が印加されており、静電吸着により、感光体ドラム１３１の外周面上のトナー像を中間転写ベルト１２３に静電転写（１次転写）する。その後、清掃装置１３４は、クリーニングブレードにて残留トナーを掻き取る。

同様にして、作像部１２１Ｍ〜１２１ＫもまたＭＣＫ各色のトナー像を形成し、これらのトナー像は互いに重なり合うように中間転写ベルト１２３上に１次転写される。中間転写ベルト１２３は無端状の回転体であって、矢印Ａ方向に回転走行し、１次転写されたトナー像を２次転写ローラー対１２４まで搬送する。
給紙部１４０は、それぞれ記録シートＳを紙サイズ毎に格納する給紙カセット１４１を備え、画像形成部１２０に記録シートＳを供給する。供給された記録シートＳは、中間転写ベルト１２３がトナー像を搬送するのに並行して、１枚ずつ搬出され、タイミングローラー対１２９を経由して、２次転写ローラー対１２４まで搬送される。タイミングローラー対１２９は１対のローラーからなっており、記録シートＳが２次転写ローラー対１２４に到達するタイミングを調整する。

２次転写ローラー対１２４は、電位差を有する１対のローラーからなっており、このローラー対は互いに圧接して転写ニップ部を形成している。この転写ニップ部において中間転写ベルト１２３上のトナー像が記録シートＳ上に静電転写（２次転写）される。トナー像を転写された記録シートＳは定着装置１２５へ搬送される。また、２次転写後、中間転写ベルト１２３上に残った残留トナーは、更に矢印Ａ方向に搬送された後、クリーニングブレード１２８によって掻き取られ、廃棄される。

定着装置１２５はトナー像を加熱、溶融して、記録シートＳに圧着する。トナー像を融着された記録シートＳは排紙ローラー対１２６によって排紙トレイ１２７上に排出される。なお、制御部１２２は、上記並びに不図示の操作パネルを含む画像形成装置１の動作を制御する。また、制御部１２２は、パーソナルコンピューター（PC: Personal Computer）など、他の装置との間で画像データを送受信したり、ジョブを受け付けたりもする。

なお、トナー像を転写するに当たっては、転写ローラーに代えて転写チャージャーや転写ベルトを用いても良い。また、中間転写ベルト１２３上の残留トナーを除去する際に、クリーニングブレード１２８に代えて、クリーニングブラシやクリーニングローラー等を用いても良い。
（１−２） 帯電装置１００の構成
次に、帯電装置１００の構成について説明する。

図２は、帯電装置１００の主要な構成を示す断面図であって、感光体ドラム１３１の回転軸に垂直な断面における断面図である。図３も、帯電装置１００の主要な構成を示す断面図であるが、感光体ドラム１３１の回転軸に平行な断面における断面図である。
帯電装置１００は、いわゆる電界放出方式の帯電装置であって、帯電素子２００、支持部材２０１、メッシュ状の引出電極２０１及びシールドケース２０２を備えている。

帯電素子２００は、ＣＮＴ糸２００ａをエポキシ樹脂２００ｂにて支持部材２００ｃに固定したものであって、ＣＮＴ糸２００ａの両端は支持部材２００ｃに電気的に接続されている。ＣＮＴ糸２００ａは、直径３０μｍ以上であるのが好ましい。また、直径１２０μｍ以上のＣＮＴ糸２００ａを用いることも可能であるが、製造に要する時間やコストを考慮すると１２０μｍ以下であるのが好適である。

支持部材２００ｃはＳＵＳ（Stainless Use Steel）３０４からなっており、導電性を有している。ＣＮＴ糸２００ａは支持部材２００ｃを経由して不図示の電流源から帯電素子印加電流Ｉｅｍの供給を受ける。
なお、ＣＮＴ糸２００ａは、空気中の酸素と接触すると、電流の供給状態によっては、酸化や燃焼が促進されるおそれがある。このような問題に対して、本実施の形態のように、ＣＮＴ糸２００ａの支持部材２００ｃ側をエポキシ樹脂２００ｂで被覆すれば、ＣＮＴ糸２００ａが空気中の酸素と接触するのを抑制することができる。従って、ＣＮＴ糸２００ａの長寿命化を図ることができる。なお、後述の評価実験においては、酸化や燃焼によるＣＮＴ糸２００ａの劣化は確認されなかった。

引出電極２０１は、ＳＵＳ３０４からなるスクリーンメッシュであって、メッシュ線径が０．１ｍｍで、メッシュ線間の間隔が１ｍｍである。帯電素子２００から引出電極２０１までの距離は２ｍｍから３ｍｍまでの範囲内になっており、引出電極２０１から感光体ドラム１３１までの距離は３ｍｍから５ｍｍまでの範囲内になっている。
引出電極２０１に引出電極印加電圧Ｖｅｘを印加すると、帯電素子２００の周辺に電界が発生して、帯電素子２００から電子が放出される。放出された電子は、メッシュ形状の引出電極２０１の隙間を通過して感光体ドラム１３１の外周面に導かれる。引出電極２０１の形状は、メッシュ形状の他、グリッド形状などであってもよい。

シールドケース２０２は、ＳＵＳ４３０を用いた鋼板をコの字形に折り曲げて形成されており、帯電素子２００を三方から外囲する一方、感光体ドラム１３１に対向すべき側には開口を有している。シールドケース２０２は、引出電極印加電圧Ｖｅｘを印加されることによって、帯電素子２００の周囲の電界を安定させる。なお、シールドケース２０２に用いる材料は、十分な寸法精度で加工できさえすればよく、ＳＵＳ４３０以外の金属材料やプラスチック等の樹脂材料を用いてもよい。

（１−３）帯電素子２００の構成
次に、帯電素子２００、特にＣＮＴ糸２００ａの構成について説明する。
ＣＮＴ糸２００ａは、上述のようにＣＮＴフィラメントからなっており、ＣＮＴフィラメントはｓｐ²型カーボン物質であるＣＮＴ分子がファンデルワールス力で結合したものである。本実施の形態においては、ＣＮＴ分子として多層ＣＮＴ（MWCNT: Multi-walled Carbon Nanotube）分子を用いる。

単層ＣＮＴ分子は、グラファイトを形成しているシート状炭素層であるグラフェンを円筒状に丸めた構造となっている。複数の単層ＣＮＴ分子を、断面が同心円状になるように入れ子構造にしたものが多層ＣＮＴ分子である。多層ＣＮＴ分子は、化学的に安定しており、機械的強度が高く、かつ良導電性である等の性質を有している。
（ａ）ＣＮＴ分子
本実施の形態においては、ＣＮＴ分子として単分子の直径が約４０ｎｍで長さが０．８ｍｍ以上であるものを用いている。単分子長が０．８ｍｍ以上であるＣＮＴ分子は、電子放出特性が優れており、後述のように、引出電極印加電圧Ｖｅｘを高くしなくても十分な電子を放出させることができる。従って、放電生成物の発生を抑制することができる。

また、スタントン−ポッツの仮説（Stanton-Pott hypothesis）によれば、直径０．０３１μｍ以上、２μｍ以下で、かつ長さ１．２５μｍ以上、４０μｍ以下の繊維状物質は発がん性などの有害性が認識されており、特に直径０．２５μｍ、長さ２０μｍ程度で有害性が最大となる。この意味において、単分子長が０．８ｍｍ以上であるＣＮＴ分子を用いれば有害性の懸念を回避することができる。

本実施の形態に係るＣＮＴ分子は、例えば、特許文献４、５に記載された製造方法を用いて製造することができる。図４は、当該製造方法を用いたＣＮＴ分子の製造装置の概略を示す図である。図４に示されるように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置４１０は電気炉４１２を備えており、電気炉４１２内には石英管４１４が通されている。また、石英管４１４の周囲にはヒータ４１６、熱電対４１８が配設されている。

石英管４１４の一方には、ガス供給部４２２が接続されており、石英管４１４の他方には圧力調整バルブ４２３及び排気部４２４が接続されている。制御部４２０は、排気部４２４を制御することによって石英管４１４内を真空排気し、ヒータ４１６により石英管４１４内を触媒４２６が昇華する温度に昇温させた後、ガス供給部４２２によりアセチレンガス４３０を石英管４１４に流入させる。

これにより触媒４２６とアセチレンガス４３０とが気相反応すると、石英基板４２８上にＣＮＴ分子が垂直に配向成長する。なお、触媒４２６は塩化鉄であって、塩化第一鉄と塩化第二鉄との少なくとも一方を含んでいる。
（ｂ）ＣＮＴフィラメント
ＣＮＴフィラメントは、ＣＮＴ分子が複数、縦及び横方向にファンデルワールス力で結合したフィラメントである。ＣＮＴフィラメントの直径は、４０ｎｍ以上で４００ｎｍ以下の範囲であるのが好適である。直径が４００ｎｍを超えると、ＣＮＴ糸２００ａの密度や電子放出特性が低下して、放電生成物が増加する傾向がある。

ＣＮＴフィラメントは、例えば、非特許文献１に記載されているように、上述の石英基板４２８上で垂直に配向成長したＣＮＴ分子を乾式紡績（ドライスピニング）によって次々と引き出すことによって得ることができる。このようにすれば、ＣＮＴ分子どうしが互いに長さ方向にずれた状態で結合することによって、ＣＮＴフィラメントが形成される。ＣＮＴ分子どうしは強いファンデルワールス力で結合されるため、撚りを加えなくても紡績できる。

（ｃ）ＣＮＴ糸２００ａ
ＣＮＴフィラメントに撚りを加えてＣＮＴ糸２００ａを作成するためには、例えば、非特許文献１に記載されているように、デスクトップの紡績システムを利用してもよい。図５（ａ）に示されるように、石英基板４２８を固定台５０１上に設置し、移動台５０２上にはスピンドル５０３を設置する。固定台５０１に対して移動台５０２を後退させながら、スピンドル５０３を回転させることによって、ＣＮＴ糸５００が紡績される。

ＣＮＴ糸５００の密度は、スピンドル５０３の回転速度と引き出し速度とを調節することによって調節される。典型的な回転速度は毎分３２，０００回転で、引き出し速度は毎秒１２０ｍｍである。この場合、ＣＮＴフィラメントが５ｍｍ幅ならば撚り角度は２５°程度になる。
また、甘撚りしたＣＮＴ糸５００を更に合わせ撚りしてもよい。図５（ｂ）に示されるように、甘撚りしたＣＮＴ糸５００が複数本用意され、各一端に負荷５１１が固定され、他端は縦型のスピンドルに取り付けられる。スピンドル５１２は鉛直上方に滑動する移動台５１３上に設置されている。また、ＣＮＴ糸５００どうしが絡まないようにガイド５１４、５１５が設けられている。

スピンドル５１２は移動台５１３の滑動に従って、上方へ移動しながら、ＣＮＴ糸５００を撚り合わせる。典型的なスピンドル回転数は毎分２４０回転で、引き上げ速度は毎秒１ｍｍである。この場合において、負荷５１１の重量が大きいほど撚り合わせたＣＮＴ糸２００ａの重量密度、引張強度及びヤング率が向上する。
図６は、走査型電子顕微鏡（SEM: Scanning Electron Microscope）を用いてＣＮＴ糸２００ａを撮影した写真である。図６から、ＣＮＴ分子が撚り合わされてＣＮＴ糸２００ａを構成していることが分かる。

ＣＮＴ糸２００ａは断面がほぼ円形となっており、電子顕微鏡写真からＣＮＴ糸２００ａの直径も知ることができる。併せてＣＮＴ糸２００ａを長さと重量を計測すれば、ＣＮＴ糸２００ａの密度を算出することができる。比較的作成が容易なＣＮＴ糸２００ａの密度は０．４〜１．６ｇ／ｃｍ³であり、後述するＣＮＴシートについても同様である。
ＣＮＴ糸２００ａや後述のＣＮＴシートはＣＮＴフィラメントが多数結合して形成されており、各ＣＮＴフィラメントの末端は髭状の自由端になっており、ＣＮＴ糸２００ａやＣＮＴシートの各所から突出している。ＣＮＴフィラメントの末端はＣＮＴ分子の末端が突出した形状となっており、引出電極に電圧が印加されると、ＣＮＴ分子の当該末端から電子が放出されるものと考えられる。

（１−４）帯電素子２００の特性
次に、望ましい特性を有する帯電素子２００の要件を決定するために、様々なＣＮＴ糸２００ａを用いて帯電素子２００の電子放出特性とオゾン発生量を計測する評価実験を行ったので、その結果について説明する。
（ａ）ＣＮＴ分子
本実験には、分子長の異なるＣＮＴ１からＣＮＴ４までの４種類のＣＮＴ分子からなるＣＮＴ糸２００ａを用いた。図７に示されるように、これらのＣＮＴ分子は、生成時におけるアセチレンガスの流量やＣＶＤ条件が異なっており、その結果、分子長が０．５ｍｍから２．１ｍｍまでの範囲で異なっている。ＣＮＴ分子の直径は何れも４０ｎｍである。

ＣＮＴ分子の直径及び長さは石英基板４２８上に形成されたＣＮＴ単分子アレイを、走査型電子顕微鏡を用いて観察することにより測定した。
（ｂ）実験装置
電子放出特性の計測に際しては、画像形成装置１から作像部１２１を取り出して、感光体表面電位測定治具にセットした状態で、引出電極印加電圧Ｖｅｘ並びに帯電素子印加電流Ｉｅｍを外部電源から徐々に印加して、感光体表面電位Ｖ０が−５００Ｖ±５Ｖの範囲内になる引出電極印加電圧Ｖｅｘ、帯電素子印加電流Ｉｅｍ及び感光体表面電位Ｖ０を計測した。計測時の環境温度は２３±２℃、相対湿度は６０±５％であった。

なお、帯電素子２００に印加された帯電素子印加電圧Ｖｅｍも計測したところ、引出電極印加電圧Ｖｅｘとほぼ同じ値であることが確認された。作像部１２１としては、コニカミノルタ株式会社製Ｂｉｚｈｕｂ ５５４ｅ（Bizhubはコニカミノルタ株式会社の登録商標）のドラムカートリッジに本実施の形態に係る帯電装置１００を搭載したものを用いた。

オゾン発生量の計測に際しては、気温２３±２℃、相対湿度６０±５％に調節した内容積２．１ｍ³のチャンバー内に画像形成装置１を設置し、Ｂ／Ｗ比１０％のハーフトーン画像を連続印刷させて、運転開始後３０分経過後から１０分間の平均濃度をオゾン濃度計ＭＯＤＥＬ−１２００（ダイレック社製）にて測定した。画像形成装置１としては、コニカミノルタ株式会社製Ｂｉｚｈｕｂ ５５４ｅのドラムカートリッジに本実施の形態に係る帯電装置１００を搭載し、オゾンフィルターを取り外したものを用いた。

本実験においては、電子放出特性やオゾン発生量に併せて、ＣＮＴフィラメントの直径とＣＮＴ糸２００ａの直径及び密度も測定した。
ＣＮＴフィラメント及びＣＮＴ糸の直径は、走査型電子顕微鏡を用いて観察することによって計測した。ＣＮＴ糸の密度は、まず、ＣＮＴ糸の重量をマイクロ電子天秤により測定し、ＳＥＭ観察より測定した直径及びスケールで測定した長さより断面積、体積を求めることによって、ＣＮＴ糸の密度を算出した。

また、ＣＮＴ糸の炭素純度は、走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型Ｘ線分光法（EDX: Energy Dispersive X-ray Spectroscope）とを併用したＳＥＭ−ＥＤＸ分析によって定性・定量分析を行った。
（ｃ）対照実験
対照実験として、従来技術に係る帯電装置についても帯電特性とオゾン発生量とを計測した。

従来技術に係る帯電装置としては、コロナ放電方式の帯電装置であるスコロトロン帯電装置とローラー帯電方式の帯電装置とを用いた。
コロトロン、スコロトロンといったコロナ放電を用いたコロナ放電方式は大気圧雰囲気下で絶縁破壊が発生するほどの強電界をかけることから、オゾンやＮＯｘ等の放電生成物を大量に発生する。また、４〜６ｋＶの高圧電源が必要なためコストが高く、省エネルギーの要請にそぐわない。

ローラー帯電方式は、導電性ゴムからなる帯電ローラーを感光体と接触させ感光体と帯電ローラーの微小空隙で放電を起こし感光体表面を帯電させる方法であり、コロナ放電方式に対しオゾン濃度を１／１００程度まで低減することができる。ローラー帯電方式には、帯電ローラーに直流電圧のみを印加する直流印加方式と、直流電圧に交流電圧を重畳させて印加する重畳印加方式との２つの方式がある。直流印加方式では、帯電ローラーと感光体との接触ムラや帯電ローラー表面での抵抗ムラに起因して斑状の帯電ムラが発生し、感光体表面を均一に帯電できないといった問題がある。重畳印加方式では、帯電ムラは解決できる一方、直流印加方式よりもオゾン濃度が増加する傾向にある。

対照実験に用いたスコロトロン帯電装置は、感光体ドラムに対向する箇所に開口を有するケーシング内にコロナ電極を設置し、当該開口にグリッド電極を配設した構成となっている。このようなスコロトロン帯電装置を用いて、感光体ドラムの外周面を−５００Ｖ±５Ｖに一様帯電させることができるグリッド電極電圧Ｖｇ、コロナ電極電圧Ｖｃ及びコロナ電極の通電量Ｉｃを計測した。また、ローラー帯電装置については、帯電ローラーの印加電圧Ｖｃを計測した。

（ｄ）実験結果
図８に示されるように、ＨＣ１からＨＣ８までの８つの条件で実験を行ったところ、実験条件ＨＣ１からＨＣ６までについては、−６００Ｖという低い引出電極印加電圧Ｖｅｘで感光体ドラム１３１の外周面をほぼ一様に帯電させることができた。感光体表面電位Ｖ０は−５００±５Ｖであった。また、オゾン発生量は０．０１ｐｐｍ以下で、オゾンフィルターが不要なレベルであった。従って、オゾン以外の放電生成物についても発生量を抑制できていると推察される。

従来技術に係る帯電装置では、図９に示されるように、グリッド電極電圧Ｖｇとコロナ電極電圧Ｖｃとの電圧差や、帯電ローラーの印加電圧Ｖｃが−１ｋＶ以上になっており、高電圧を印加する必要がある。また、オゾン発生量は０．０１ｐｐｍ以上と多くなっている。
実験条件ＨＣ７は、甘撚りしたＣＮＴ糸２００ａを用いた場合であり、ＣＮＴ糸２００ａの直径が小さく、密度が低いため、ＣＮＴ糸２００ａが切れ易くなる。従って、帯電素子２００を組み立てるのが難しくなったり、帯電素子２００を組み立てることができてもＣＮＴ糸２００ａに帯電素子印加電流Ｉｅｍを流そうとするとＣＮＴ２００ａが切れたりしたため電子放出特性やオゾン発生量を評価することができなかった。

従って、ＣＮＴ糸２００ａの直径が１５μｍ以下であったり、密度が０．３５ｇ／ｃｍ³以下であったりするＣＮＴ糸２００ａは帯電素子２００に用いることが難しいと考えられる。実験条件ＨＣ１からＨＣ６の場合を考慮すれば、ＣＮＴ糸２００ａの直径は３０μｍ以上、密度は０．４ｇ／ｃｍ³以上であるのが帯電素子２００として望ましい。
実験条件ＨＣ８では、分子長が短いＣＮＴ分子（図７のＣＮＴ４）を用いており、ＣＮＴフィラメントの直径は４５０ｎｍまでと太く、ＣＮＴ糸２００ａの密度は０．３０ｇ／ｃｍ³と低くなっている。この場合には、帯電素子印加電流Ｉｅｍが−２００μＡと、実験条件ＨＣ１からＨＣ６までと比較して多くなっているが、感光体ドラム１３１の外周面を感光体表面電位Ｖ０が−５００±５Ｖになるように一様に帯電させることができた。

オゾン濃度は、０．０２ｐｐｍになっており、実験条件ＨＣ１からＨＣ６までと比較して高くなっているものの、オゾンフィルターを設けなくてもよいレベルに留まっている。
なお、実験条件ＨＣ８では、電子放出特性やオゾン発生量を測定した後、画像形成を１０分から１５分程度連続実行するとＣＮＴ糸２００ａが切れた。これはＣＮＴ２００ａの密度が低いことが原因であると考えられる。ＣＮＴ分子の分子長が短く、且つＣＮＴ糸２００ａの密度が低い場合に、帯電素子印加電流Ｉｅｍを流し続けると、ＣＮＴ分子どうしの結合がほぐれて、ＣＮＴ２００ａが切断するに至ったものと考えられる。言うまでもなく、ＣＮＴ２００ａが切断した後は、帯電を継続することができない。

以上のように、ＣＮＴ糸２００ａの密度は０．４ｇ／ｃｍ³以上であるのが望ましく、ＣＮＴ糸２００ａの直径は３０μｍ以上、１２０μｍ以下であるのが好適である。ＣＮＴ糸２００ａを構成するＣＮＴフィラメントの直径は４０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲内であるのがよく、ＣＮＴ分子の分子長は０．８ｍｍ以上、２．１ｍｍ以下の範囲内であるのが好ましい。

このようにすれば、引出電極印加電圧Ｖｅｘの絶対値を１ｋＶ以下に抑えることができるので、オゾン等の放電生成物の発生を抑えることができる。従って、オゾンフィルターが不要になる。また、ＣＮＴ糸２００ａを用いた帯電装置２００の耐久性を高めることができる。
［２］第２の実施の形態
本発明の第２の実施の形態に係る画像形成装置は、上記第１の実施の形態に係る画像形成装置と概ね共通の構成を備える一方、帯電素子としてＣＮＴ糸に代えてカーボンナノチューブシート（以下、「ＣＮＴシート」という。）を用いる点において相違している。以下、主として相違点に着目して説明する。なお、実施の形態間で共通する部材には同じ符号が付与されている。

（２−１） 帯電装置１００の構成
まず、本実施の形態に係る帯電装置１００の構成について説明する。
図１０は、帯電装置１００の主要な構成を示す断面図であって、感光体ドラム１３１の回転軸に垂直な断面における断面図である。図１１も、帯電装置１００の主要な構成を示す断面図であるが、図１０における矢印Ａ方向から見た感光体ドラム１３１の回転軸に平行な断面における断面図である。

帯電素子２００は、長尺のＣＮＴシート１０００をエポキシ樹脂２００ｂにて支持部材２００ｃに接着したものであって、ＣＮＴシート１０００は支持部材２００ｃに電気的に接続されている。ＣＮＴシート１０００の先端から引出電極２０１までの距離は２ｍｍから３ｍｍまでの範囲内になっている。
帯電素子２００を組み立てる際には、まずエポキシ系接着剤にてＣＮＴシート１０００を被覆して硬化させる。その後、硬化したエポキシ樹脂２００ｂの感光体ドラム１３１に対向する先端部分を切り取ることによって、ＣＮＴシート１０００の端部を露出させる。帯電時には、ＣＮＴシート１０００の露出箇所から電子が放出される。

本実施の形態においても、ＣＮＴシート１０００をエポキシ樹脂２００ｂで被覆することによって、ＣＮＴシート１０００が空気中の酸素と接触するのが抑制されるので、ＣＮＴシート１０００の長寿命化を図ることができる。なお、後述の評価実験においては、酸化や燃焼によるＣＮＴシート１０００の劣化は確認されなかった。
（２−２）帯電素子２００の構成
次に、帯電素子２００、特にＣＮＴシート１０００の構成について説明する。

本実施の形態においては、浜松カーボニクス株式会社製のカーボンナノチューブシートワインダー（Carbon Nanotube Sheet Winding Machine）を用いてＣＮＴシート１０００を作成した。当該カーボンナノチューブワインダーは、石英基板４２８上で垂直に配向成長したＣＮＴ分子からＣＮＴシート１０００を作成する。
カーボンナノチューブワインダーの動作モードにはシートモードやテープモード等があり、ＣＮＴシート１０００の形状に合った動作モードを選択することができる。また、層数を指定することによってＣＮＴシート１０００の単位面積当たりの重量を調節することができる。

図１２は、走査型電子顕微鏡を用いてＣＮＴシート１０００を撮影した写真である。図１２から、ＣＮＴシート１０００におけるＣＮＴフィラメントの配向状態が観察される。
（２−３）帯電素子２００の特性
次に、様々なＣＮＴシート１０００を用いて帯電素子２００の電子放出特性とオゾン発生量を計測する評価実験を行ったので、その結果について説明する。

ＣＮＴシート１０００を構成するＣＮＴ分子としては、図７に示されたＣＮＴ分子からＣＮＴ２とＣＮＴ４を選択した。また、使用した実験装置は上記第１の実施の形態と概ね同じであるが、帯電装置２００にＣＮＴシート１０００が用いられている点が異なっている。
実験結果は次の通りである。

図１３に示されるように、ＨＣ１１、ＨＣ１２の２つの条件で実験を行った。実験条件ＨＣ１１では、−６００Ｖという低い引出電極印加電圧Ｖｅｘで感光体ドラム１３１の外周面をほぼ一様に帯電させることができた。オゾン発生量は０．００５ｐｐｍであり、放電生成物の発生を抑制できたと推察される。
実験条件ＨＣ１２では、ＣＮＴ分子の分子長が短く、ＣＮＴフィラメントの直径は４５０ｎｍまでと太く、ＣＮＴシート１０００の密度は０．２５ｇ／ｃｍ³と低くなっている。この場合には、帯電素子印加電流Ｉｅｍが−２００μＡと、実験条件ＨＣ１１と比較して多くなっているが、感光体ドラム１３１の外周面を一様に帯電させることができた。

オゾン濃度は、０．０２ｐｐｍになっており、実験条件ＨＣ１１と比較して高いが、オゾンフィルターは不要である。
なお、実験条件ＨＣ１２では、上記第１の実施の形態における実験条件ＨＣ８と同様に、画像形成を連続実行するとＣＮＴシート１０００が部分的に断裂した。原因は実験条件ＨＣ８と同様であると考えられる。ＣＮＴシート１０００が断裂すると、感光体ドラム１３１の外周面を一様に帯電させることができなくなる。

上記第１の実施の形態における実験結果と併せて検討した結果、ＣＮＴシート１０００においても密度は０．４ｇ／ｃｍ³以上であるのが好適である。ＣＮＴシート１０００を構成するＣＮＴフィラメントの直径は４０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲内であるのがよく、ＣＮＴ分子の分子長は０．８ｍｍ以上、２．１ｍｍ以下の範囲内であるのが好ましい。

このようにすれば、引出電極印加電圧Ｖｅｘの絶対値を１ｋＶ以下に抑えることができるので、オゾン等の放電生成物の発生を抑えることができる。また、ＣＮＴシート１０００を用いた帯電装置２００の耐久性を高めることができる。
［３］変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。

（１）上記実施の形態においては、帯電素子２００にカーボンナノチューブを用いる場合を例にとって説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、カーボンナノチューブに代えてカーボンナノホーン、グラフェン、グラファイト等のｓｐ²型カーボン物質やダイヤモンドを用いてもよい。
帯電素子としては、電子放出特性に優れる電子放出材料が好適である。電子放出材料としては、分子から比較的自由に外に飛び出すことのできる不対電子を比較的多く持ち、比較的小さなエネルギー（電界、熱など）によって電子を放出する性能を有するものが好ましい。

材質の電子放出特性を表す仕事関数の低い物質が電子放出材料に適しており、仕事関数が５ｅＶ以下のものがよく用いられている。上述のようなｓｐ²型カーボン物質は炭素のみからなるカーボン単体材料であるため、仕事関数は４〜５ｅＶと他の電子放出材料と比較し特に低い値ではない。
しかしながら、分子径に対する分子長の比であるアスペクト比が高く、電子放出部位がナノサイズで極小であるといった他の電子放出材料にない特徴的な構造を有するｓｐ²型カーボン物質は、高い電子放出特性を示す。このため、帯電素子にｓｐ²型カーボン物質を採用すれば引出電極印加電圧Ｖｅｘを低く抑えることができるので、放電生成物の発生を抑制することができる。

（２）上記実施の形態においては、帯電素子２００にＣＮＴ糸２００ａとＣＮＴシート１０００とを適用する場合を例にとって説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、糸やシート以外の形状に成形されたカーボンナノチューブを用いてもよい。例えば、ブラシ形状としてもよいし、フェルト形状のように立体的な形状としてもよい。

（３）上記実施の形態においては、エポキシ系接着剤を用いてＣＮＴ糸２００ａやＣＮＴシート１０００を支持部材２００ｃに取り付ける場合を例にとって説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、支持部材２００ｃに固定したＣＮＴ糸２００ａやＣＮＴシート１０００をエポキシ系接着剤に代えてポリイミドテープやフッ素樹脂テープなどの絶縁性テープで被覆してもよい。

ＣＮＴ糸２００ｂやＣＮＴシート１０００は、印加電流、使用時間などの電流印加条件よっては、ＣＮＴ分子間のファンデルワールス力による結合が切れ、糸やシートがほぐれた状態となり、やがては糸が切断したり、シートが部分断裂したりする恐れがある。
このような問題に対して、上述のように、ＣＮＴ糸２００ｂやＣＮＴシート１０００を被覆すれば、切断や断裂を防止して、帯電素子２００を長寿命化することができる。

なお、画像形成装置１が廉価機種である場合などのように帯電素子２００の長寿命化を考慮する必要がない場合や、次に述べるように、帯電素子２００周辺が低酸素又は無酸素状態にある場合には、ＣＮＴ糸２００ａの両端のみを支持部材２００ｃに接着固定することによって、ＣＮＴ糸２００ａを支持部材２００ｃに張架してもよい。
（４）上記実施の形態においては、引出電極２０１の隙間が通気できる場合を例にとって説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて、シールドケース２０２を気密性にしてもよい。

具体的には、帯電素子２００から放出される電子は通過させるが、酸素分子は通過することができないフィルムを用いてシールドケース２０２を被覆することによって、シールドケース２０２を密閉し、シールドケース２０２の内部を低真空状態にしたり、不活性ガスを封入したりしてもよい。
このようにすれば、帯電素子２００周辺を無酸素状態、若しくは低酸素状態にすることができるので、帯電素子２００に用いられているＣＮＴ糸２００ａやＣＮＴシート１０００が、空気中の酸素と接触によって酸化や燃焼を促進されるのを防止することができる。

（５）上記実施の形態においては、画像形成装置１がタンデム型のカラー複合機である場合を例にとって説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、タンデム型以外のカラー複合機に本発明を適用してもよいし、モノクロ複合機であってもよい。また、プリンター装置や、スキャナーを備えた複写装置、更にファクシミリ通信機能を備えたファクシミリ装置に本発明を適用しても上述のような効果を得ることができる。

本発明に係る帯電装置及び画像形成装置は、帯電に伴うオゾンや窒素酸化物などの放電生成物の発生を抑えた装置として有用である。

１…………画像形成装置
１００……帯電装置
２００……帯電素子
２０１……支持部材
２０１……引出電極
２０２……シールドケース
２００ａ…ＣＮＴ糸
２００ｂ…エポキシ樹脂
２００ｃ…支持部材
１０００…ＣＮＴシート

Claims (7)

1. 被帯電体表面を帯電させる電界放出型の帯電装置であって、
   帯電素子と、
   前記帯電素子に電流を供給する給電手段と、
   電圧が印加されると電界を発生させて、前記帯電素子に放電させる引出電極と、を備え、
   前記帯電素子は、
   ｓｐ²型カーボン物質の単分子が複数本結合することによって形成されたフィラメントを、更に複数本結合されてなり、
   密度が０．４ｇ／ｃｍ³以上であり、
   シート形状である
   ことを特徴とする帯電装置。
2. 前記フィラメントは、直径が４０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下の範囲内である
   ことを特徴とする請求項１に記載の帯電装置。
3. 前記ｓｐ²型カーボン物質の単分子は、分子長が０．８ｍｍ以上、２．１ｍｍ以下の範囲内である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の帯電装置。
4. 前記給電手段は、金属板であって、
   前記帯電素子は、前記金属板に受電可能に固定されている
   ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の帯電装置。
5. 前記ｓｐ²型カーボン物質はカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、グラフェン及びグラファイトの何れかである
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の帯電装置。
6. 前記帯電素子に放電させる際に、当該帯電素子並びに前記引出電極に印加される電圧は、接地電位からの電位差が１ｋＶ以下である
   ことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の帯電装置。
7. 表面が一様に帯電した感光体を露光して静電潜像を形成し、当該静電潜像を現像して得られたトナー像を記録シートに転写し、定着する画像形成装置であって、
   請求項１から６の何れかに記載の帯電装置を備え、
   前記帯電装置によって、前記感光体表面を一様に帯電させる
   ことを特徴とする画像形成装置。