JP7518779B2 - 電子写真感光体および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真感光体および画像形成装置に関する。

画像形成装置に用いられる電子写真感光体は、例えばアルミニウム製の中空円筒体等、円筒状の導電性基体などの外表面である外周面に、光導電層を含む、アモルファスシリコン（以下「ａ－Ｓｉ」とも記す）と各種のドーパントとで構成された多層構造の表面被覆層が、積層形成された構成を有する。

電子写真感光体としては、表面電位を正とする正帯電用電子写真感光体と、表面電位を負とする負帯電用電子写真感光体とがあるが、デジタル化およびフルカラー化された電子写真装置では、出力画像の高画質化のために、負帯電用電子写真感光体が採用されることが多くなっている。

負帯電用電子写真感光体は、例えば、特許文献１に記載されているように、アルミニウム基体上に光受容層が積層されており、この光受容層は、下部電荷注入阻止層、光導電層、上部電荷注入阻止層、表面保護層を含む。

特開２００３－１５３３５号公報

電子写真感光体には、その軸線方向（回転軸方向）において、一端から他端に向かって光導電層の厚さが厚くなるものがある。これにより、帯電装置で帯電させた場合に、電子写真感光体の表面電位にばらつきが生じてしまう。

本開示の電子写真感光体は、導電性の円筒状基体と、
前記円筒状基体の外表面を被覆する表面被覆層と、を備え、
前記表面被覆層は、
下部電荷注入阻止層と、
前記下部電荷注入阻止層より外側に位置する光導電層と、
前記光導電層より外側に位置する上部電荷注入阻止層と、
前記上部電荷注入阻止層より外側に位置する表面保護層と、を含み、
前記光導電層は、前記円筒状基体の軸線方向に沿って、厚さが漸次的に厚くなる第１部分を有し、
前記上部電荷注入阻止層は、母材であるアモルファスシリコンと、ドーパントである窒素および酸素の少なくとも一方と、を含み、前記光導電層の前記第１部分の厚さに応じてアモルファスシリコン中のドーパント濃度が異なる。

また本開示の画像形成装置は、上記の電子写真感光体を備える。

本開示によれば、表面電位のばらつきが低減された電子写真感光体を提供することができる。

また本開示によれば、上記電子写真感光体を備えることで高画質な画像形成が可能な画像形成装置を提供することができる。

（ａ）は実施形態の電子写真感光体の部分断面図、（ｂ）は表面被覆層の構成を示す断面図である。 電子写真感光体の製造装置を示す概略図である。 実施形態に係る画像形成装置の構成を一部断面で示す構造図である。 実施例の上部電荷注入阻止層におけるドーパント濃度および電子写真感光体の表面電位を示すグラフである。 比較例の上部電荷注入阻止層におけるドーパント濃度および電子写真感光体の表面電位を示すグラフである。

以下、本開示の実施形態である電子写真感光体およびこれを備えた画像形成装置について、図面を参照しつつ説明する。

実施形態の電子写真感光体１０は、図３に示す画像形成装置１００に、電子写真感光体単体で、または、電子写真感光体ユニットとして、組み込んで使用される。図１（ａ）に示すように、電子写真感光体１０は、導電性の円筒状基体１の外周面１ａを被覆するように、多層からなる表面被覆層２が積層形成されている。

図１（ｂ）を参照して、表面被覆層２を構成する各層２１～２４および導電性を有する円筒状基体１について説明する。

導電性の円筒状基体１は、表面被覆層２の支持体となるものである。少なくとも円筒状基体１の表面は導電性を有し、図１（ａ）に示すように、外表面である外周面１ａと、内周面１ｂと、筒長方向両端の基体端面１ｃと、を有する。

円筒状基体１は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ），ステンレススチール（ＳＵＳ），亜鉛（Ｚｎ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ）などの金属材料、あるいはこれら例示した金属材料を含む合金によって、全体が導電性を有するものとして形成される。また、円筒状基体１は、セラミックスなどの非導電性材料の表面に、例示した金属材料あるいはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの導電性材料による導電性膜を被着したものであってもよい。

実施形態の円筒状基体１は、例えば、アルミニウム系材料で形成されている。アルミニウム系材料は、軽量かつ低コストで、その外周面１ａ上に、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）系材料を主体とする層を形成する場合には、それらの層と円筒状基体１との間の密着性が高い。

実施形態の電子写真感光体１０は、負帯電用の電子写真感光体であって、円筒状基体１上の表面被覆層２として、図１（ｂ）に示すように、感光体外側である最表面側（図示上側）から順に、表面保護層２１、上部電荷注入阻止層２２、光導電層２３および下部電荷注入阻止層２４が、形成されている。

また、図１（ｂ）では、各層または各膜の厚みを強調して描いているため、層厚みおよび層厚比等は、実際のものとは異なる。

光導電層２３の内側（図示下側）の下部電荷注入阻止層２４は、円筒状基体１側からの電荷（電子）の注入を抑制する層であり、たとえばａ－Ｓｉ系材料により形成されている。この下部電荷注入阻止層２４は、たとえばａ－Ｓｉに、ドーパントとして窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）を含有させたものとして形成されており、その厚みは、例えば、２～１０μｍである。

表面保護層２１は、表面保護層２１より内側に位置する、上部電荷注入阻止層２２、光導電層２３などの各層を保護する。表面保護層２１は、たとえばアモルファス炭化シリコン（ａ－ＳｉＣ）あるいはアモルファス窒化シリコン（ａ－ＳｉＮ）などのａ－Ｓｉ系材料または、アモルファスカーボン（ａ－Ｃ）を用いるか、あるいはそれらの多層構造とすればよい。実施形態では、例えば、耐摩耗性の観点からａ－Ｃを用いる。表面保護層２１の厚さは、例えば、０．１～２μｍ程度である。

光導電層２３は、レーザ光などの光照射によってキャリアを発生させる機能を有する層である。光導電層２３は、たとえばａ－Ｓｉ系材料、またはＳｅ－ＴｅもしくはＡｓ_２Ｓｅ_３などのアモルファスセレン（ａ－Ｓｅ）系材料で形成される。実施形態の光導電層２３は、ａ－Ｓｉならびにａ－Ｓｉに、炭素（Ｃ），窒素（Ｎ）または酸素（Ｏ）などを加えたａ－Ｓｉ系材料で形成されており、ドーパントとして、ホウ素（Ｂ）あるいはリン（Ｐ）などを含有していてもよい。

光導電層２３の厚さは、使用する光導電性材料および所望の電子写真特性により適宜設定すればよく、ａ－Ｓｉ系材料を用いて光導電層２３を形成する場合、たとえば５～１００μｍ程度である。本実施形態の光導電層２３の厚さは、円筒状基体１の軸線方向に沿って、厚さが漸次的に厚くなる第１部分２３ａを有している。光導電層２３の全体が、第１部分２３ａであってもよく、例えば、端部を除く中央部分が第１部分２３ａであってもよい。厚さが漸次的に厚くなるとは、第１部分２３ａにおいて、厚さが、最も薄い部分から最も厚い部分に向かって次第に厚くなっており、厚さが最も薄い部分と最も厚い部分との差が光導電層２３の膜厚の１０％程度、例えば０．５～１０μｍ程度であることをいう。ここで、光導電層２３の厚さは、下部電荷注入阻止層２４との界面から、上部電荷注入阻止層２２との界面までの距離である。光導電層２３の厚さが漸次的に厚くなっているのは、電子写真感光体１０の製造装置などの設備特性によるものであり、意図的に厚さを変化させたものではない。

光導電層２３の厚さが一定ではないことで、帯電時に、電子写真感光体１０の表面電位にばらつきが生じる。表面電位は、帯電装置などを用いて、所定量の電荷を電子写真感光体１０に供給して帯電させた場合の電子写真感光体１０表面における電位である。本実施形態では、このような電子写真感光体１０の表面電位のばらつきを上部電荷注入阻止層２２によって低減させる。上部電荷注入阻止層２２は、表面保護層２１側からの電荷（電子）の注入を阻止する役割を有する層であり、たとえばアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）系材料を母材とする。上部電荷注入阻止層２２は、たとえばａ－Ｓｉに、ドーパントとしてホウ素（Ｂ）と、窒素（Ｎ）もしくは酸素（Ｏ）またはその両方と、を母材のａ－Ｓｉに含有させたもので構成される。

上部電荷注入阻止層２２の厚さは、所望の電子写真特性などの観点から、例えば０．１～１０μｍである。上部電荷注入阻止層２２の厚さは、円筒状基体１の軸線方向に沿って一定である。厚さが一定とは、上部電荷注入阻止層２２の厚さが最も薄い部分と最も厚い部分との差が、膜厚に対して１０％未満、例えば最大でも１μｍ未満であることをいう。

上部電荷注入阻止層２２は、光導電層２３の第１部分２３ａの厚さに応じてアモルファスシリコン中のドーパント濃度が異なる。上部電荷注入阻止層２２は、光導電層２３の外側に位置しており、少なくとも光導電層２３の第１部分２３ａを覆っている。上部電荷注入阻止層２２において、直下の第１部分２３ａの各位置の厚さに対応して、例えば１～３０％の濃度の範囲で、厚さが厚い部分でドーパント濃度が低く、厚さが薄い部分でドーパント濃度が高くなるように、ドーパント濃度を異ならせている。このドーパント濃度の変化は、光導電層２３の膜厚の変化に応じて、漸次的に異ならせることが好ましい。これにより、光導電層２３の第１部分２３ａに起因して生じる表面電位のばらつきを低減することができる。

前述のように、上部電荷注入阻止層２２におけるドーパントは、例えば、ホウ素（Ｂ）と、窒素（Ｎ）もしくは酸素（Ｏ）またはその両方である。光導電層２３の第１部分２３ａの厚さに応じて濃度を異ならせるのは、全てのドーパントであってもよく、一部のドーパントであってもよい。本実施形態の例では、上部電荷注入阻止層２２において、アモルファスシリコンに含有されたホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）の全てのドーパントの濃度を、光導電層２３の第１部分２３ａの厚さに応じて異ならせてもよい。また、アモルファスシリコンに含有されたホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）のうちの一部である窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）の濃度を、光導電層２３の第１部分２３ａの厚さに応じて異ならせてもよい。この場合、残りのドーパントであるホウ素（Ｂ）は、光導電層２３の第１部分２３ａの厚さによらず、一定の濃度でアモルファスシリコンに含有されていればよい。

本実施形態では、上部電荷注入阻止層２２は、ドーパント濃度を、光導電層２３の第１部分２３ａの厚さが厚いほど低くなるようにしている。光導電層２３の第１部分２３ａの厚さは、漸次的に変化しており、上部電荷注入阻止層２２のドーパント濃度もこれに応じて漸次的に異ならせている。これにより、電子写真感光体１０の表面電位のばらつきをさらに低減することができる。

図２は、電子写真感光体の製造装置を示す概略図であり、Ｐ－ＣＶＤ法のうち、ＲＦ－ＣＶＤ（radio-frequency Chemical Vapor Deposition）法を適用する成膜装置の概略構成を示したものである。まず、アルミニウム製の円筒状の素管（円筒状基体）１を真空チャンバー１０１内に入れる。次に真空ポンプ１０２で排気しながら原料ガス１０３を、ガス制御装置１０４を介して真空チャンバー１０１内に所定の混合比で導入する。次に高周波発生器１０５および整合器１０６によって高周波を真空チャンバー１０１に印加して素管１１との間にプラズマを発生させ、素管１１を回転軸周りに回転させながら、素管１１の表面上に成膜する。原料ガス１０３の種類および混合比を変更し、成膜条件を調整することで、表面保護層２１、上部電荷注入阻止層２２、光導電層２３および下部電荷注入阻止層２４の各層を形成することができる。

このような製造装置では、原料ガス１０３の成分、原料ガス１０３の導入位置および排気位置などによっては、素管１１の上部側と下部側とで膜厚が異なることが避けられない場合がある。特に、光導電層２３のように厚さが厚いほど膜厚の分布が大きくなる。これに対応するために、上部電荷注入阻止層２２のドーパント濃度を異ならせており、原料ガス１０３の導入位置および排気位置、原料ガス１０３の切り替えタイミング、原料ガス１０３の供給量などを制御することで可能となる。

上記のような電子写真感光体１０が組み込まれる画像形成装置１００の構成例を、図３を参照して説明する。

実施形態に係る画像形成装置１００は、画像形成方式としてカールソン法を採用したものであり、先述の電子写真感光体１０、帯電器１１１、露光器１１２、現像ローラ１１３Ａを含む現像器１１３、転写器１１４、定着器１１５である一対の定着ローラ１１５Ａおよび１１５Ｂ、電子写真感光体１０に接触するクリーニングローラ１１６Ｂとクリーニングブレード１１６Ａとを含むクリーニング器１１６、および、除電器１１７等を備える。なお、図中の記録媒体Ｐに沿った矢印は、記録媒体Ｐである用紙の移動方向を示す。

帯電器（帯電ローラ）１１１は、たとえば負帯電の電子写真感光体１０の表面を負極性に帯電させる役割を有する。本実施形態において帯電器１１１は、接触型帯電器である。帯電器１１１には、帯電ローラの他にも、コロトロン（コロナ帯電器）あるいはスコロトロン（コロナ帯電器にグリッド電極を付加したもの）を用いてもよい。露光器１１２は、帯電させることによって表面に一様に負電荷を保持した電子写真感光体１０に静電潜像を形成する。本実施形態において露光器１１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）ヘッドを採用する。現像器１１３は、電子写真感光体１０の静電潜像を現像して電子写真感光体１０の表面にトナー像を形成する。現像器１１３は、現像剤（以下トナー）Ｔを磁気的に保持する現像ローラ１１３Ａを備える。

現像ローラ１１３Ａは、現像器１１３において摩擦帯電したトナーＴを一定の穂長に調整された磁気ブラシの形で電子写真感光体１０の表面に搬送する。転写器１１４は、電子写真感光体１０と転写器１１４との間の転写領域に供給された記録媒体Ｐに電子写真感光体１０のトナー像を転写する、転写用チャージャ１１４Ａおよび分離用チャージャ１１４Ｂを備える。定着器１１５は、記録媒体Ｐに転写されたトナー像を記録媒体Ｐに定着させる、一対の定着ローラ１１５Ａ，１１５Ｂを備える。

クリーニング器１１６は、電子写真感光体１０の表面に残存するトナーＴを除去する、クリーニングローラ１１６Ｂおよびクリーニングブレード１１６Ａを備える。除電器１１７には、電子写真感光体１０の表面電荷を除去するために、特定波長（たとえば６３０ｎｍ以上）の光を出射可能なデバイスが用いられる。

実施例では、上部電荷注入阻止層２２の母材をアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）とし、ホウ素（Ｂ）と、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）の両方と、をドーパントとしてアモルファスシリコンに含有させた。

実施例および比較例の電子写真感光体をそれぞれ作製した。電子写真感光体の各層および円筒状基体の材料は、以下のとおりとした。
表面保護層：アモルファス炭化シリコン
上部電荷注入阻止層：アモルファスシリコン（ドーパント：Ｂ、Ｎ、Ｏ）
光導電層：アモルファスシリコン（ドーパント無し）
下部電荷注入阻止層：アモルファスシリコン（ドーパント：Ｎ、Ｏ）
円筒状基体：アルミニウム

実施例では、上部電荷注入阻止層において、ホウ素（Ｂ）の濃度を一定とした。窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）の濃度は、光導電層の厚さが厚いほど低くなるようにした。比較例では、上部電荷注入阻止層において、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）の濃度を一定とした。このような条件で作製した実施例および比較例の表面電位を測定し、ばらつきを評価した。なお、実施例および比較例とも光導電層の厚さは、円筒状基体の軸線方向に沿って、厚さが漸次的に厚くなっており、測定範囲内での最も薄い部分と最も厚い部分との差が２μｍであった。

ドーパント濃度の測定は、長さ３９５ｍｍの円筒状基体の軸線方向に沿って、基体端面から３０ｍｍの位置、１８５ｍｍの位置、３６０ｍｍの位置の３か所とした。上部電荷注入阻止層のドーパント濃度として、Ｎ／Ｏ含有量（％）を測定した。Ｎ／Ｏ含有量（％）は、上部電荷注入阻止層を構成する原子（水素を除く）の全量を１００％としたとき、測定で得られた窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）のそれぞれの含有量の平均値である。実施例および比較例では、製造時の原料ガスとして一酸化窒素（ＮＯ）を用いており、この場合、窒素（Ｎ）および酸素（Ｏ）のそれぞれの含有量は、ほぼ同量である。

原子濃度は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＰＨＩ５０００ ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ２、アルバック・ファイ株式会社製）を用い、実施例および比較例の電子写真感光体にＡｒイオンを加速電圧４ｋＶで照射し、放出される光電子のエネルギースペクトルを測定した。

表面電位の測定は、ドーパント濃度と同じ位置の３か所とした。表面電位は、実施例および比較例の電子写真感光体にスコロトロン式帯電器によって一定電荷を与え、表面電位計（Ｔｒｅｋ ｍｏｄｅｌ３４４ トレックジャパン株式会社製）に接続した測定プローブ（Ｔｒｅｋ ｍｏｄｅｌ ６０００Ｂ－７Ｃ トレックジャパン株式会社製）によって測定した。

各測定位置におけるＮ／Ｏ含有量（％）および表面電位（Ｖ）の測定結果をグラフに示す。図４は、実施例の測定結果を示し、図５は、比較例の測定結果を示す。実施例および比較例とも光導電層の厚さは、３０ｍｍの位置が３２μｍ、１８５ｍｍの位置が３１μｍ、３６０ｍｍの位置が３０μｍである。図５に示す比較例のように、上部電荷注入阻止層のＮ／Ｏ含有量を一定とした場合、表面電位には光導電層の厚さに応じたばらつきが生じた。これに対して、図４に示す実施例のように、上部電荷注入阻止層のＮ／Ｏ含有量を、光導電層の厚さに応じて異ならせることで、表面電位がほぼ同じとなり、ばらつきを低減することができた。

本発明は上述の実施形態および実施例に示したものだけに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良または変更ができる。

１ 円筒状基体（素管）
１ａ 外周面
１ｂ 内周面
１ｃ 基体端面
２ 表面被覆層
１０ 電子写真感光体
２１ 表面保護層
２２ 上部電荷注入阻止層
２３ 光導電層
２３ａ 第１部分
２４ 下部電荷注入阻止層
１００ 画像形成装置
１０１ 真空チャンバー
１０２ 真空ポンプ
１０３ 原料ガス
１０４ ガス制御装置
１０５ 高周波発生器
１０６ 整合器
１１１ 帯電器
１１２ 露光器
１１３ 現像器
１１３Ａ 現像ローラ
１１４ 転写器
１１４Ａ 転写用チャージャ
１１４Ｂ 分離用チャージャ
１１５ 定着器
１１５Ａ 定着ローラ
１１６ クリーニング器
１１６Ａ クリーニングブレード
１１６Ｂ クリーニングローラ
１１７ 除電器
Ｐ 記録媒体
Ｔ 現像剤（トナー）

Claims (5)

1. 導電性の円筒状基体と、
   前記円筒状基体の外表面を被覆する表面被覆層と、を備え、
   前記表面被覆層は、
   下部電荷注入阻止層と、
   前記下部電荷注入阻止層より外側に位置する光導電層と、
   前記光導電層より外側に位置する上部電荷注入阻止層と、
   前記上部電荷注入阻止層より外側に位置する表面保護層と、を含み、
   前記光導電層は、前記円筒状基体の軸線方向に沿って、厚さが漸次的に厚くなる第１部分を有し、
   前記上部電荷注入阻止層は、母材であるアモルファスシリコンと、ドーパントである窒素および酸素の少なくとも一方と、を含み、前記光導電層の前記第１部分の厚さに応じてアモルファスシリコン中のドーパント濃度が異なる、電子写真感光体。
2. 前記上部電荷注入阻止層は、ドーパントとしてホウ素をさらに含む、請求項１記載の電子写真感光体。
3. 前記上部電荷注入阻止層は、前記光導電層の前記第１部分の厚さが厚いほど、アモルファスシリコン中のドーパント濃度が低い、請求項１または２記載の電子写真感光体。
4. 前記上部電荷注入阻止層は、前記円筒状基体の軸線方向に沿って、厚さが一定である、請求項１～３のいずれか１つに記載の電子写真感光体。
5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の電子写真感光体を備える画像形成装置。