JP2002318255A

JP2002318255A - 表面電位検出装置

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Publication number: JP2002318255A
Application number: JP2001126264A
Authority: JP
Inventors: Takashi Urano; 高志浦野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2002-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定体との距離が変動した場合であっても、
被測定体の電位を正確に検出することができる表面電位
検出装置を提供する。【解決手段】電位検知電極１１は、被測定体４０との距
離に対応する距離成分と、被測定体４０の電位に対応す
る電位成分とを含む電位距離信号ｓ１を出力する。距離
検知電極１２は、被測定体４０との距離に対応する距離
信号ｓ２を出力する。信号処理回路２０は、電位距離信
号ｓ１と距離信号ｓ２とが入力され、距離信号ｓ２を用
いて、電位距離信号ｓ１から距離成分を除去し、被測定
体４０の電位に対応する信号ｓ３を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面電位検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の表面電位検出装置は、例えば、
複写機やレーザビームプリンタ等において、被測定面で
ある感光ドラムの表面電位を非接触で検出する手段とし
て用いられる。この種の表面電位検出装置は、検知電極
と感光ドラムとの間の電界を、音叉で機械的に断続する
ことにより、感光ドラムの表面電位に対応した交流信号
を得る。そして、この交流信号を処理することにより、
感光ドラムの表面電位を検出する。

【０００３】表面電位を非接触で検出する表面電位検出
装置は、検知電極と感光ドラムとの距離が変動すると、
表面電位の検出値に誤差が生じる。このため、検知電極
を高い精度で基準位置に取付け、検知電極と感光ドラム
との距離が所定の値になるようにする必要があり、組立
の困難性を招く。しかも、基準位置からの検知電極のず
れを、長期にわたってゼロに維持することは、実際的に
不可能であることを考えると、事実上、検出誤差を回避
することができない検知電極と感光ドラムとの間の距離
変動に伴う測定誤差を回避する手段として、特公平３−
６４６７号公報は、検知電極に高電圧をフィードバック
することにより、検知電極と感光ドラムとの距離が変動
した場合でも、表面電位の検出値に誤差が生じないよう
にした表面電位検出装置を開示している。

【０００４】しかし、この表面電位検出装置は、高電圧
をフィードバックする必要があるため、回路構成が複雑
になるとともに、大型で高価な高耐電圧部品が必要にな
るという問題がある。

【０００５】また、米国特許第４７９７６２０号明細書
に開示された表面電位検出装置は、音叉の機械的振動の
振幅を小さくすることにより、検知電極と感光ドラムと
の距離が変動した場合でも、表面電位の検出値に誤差が
生じないようにしている。

【０００６】しかし、この表面電位検出装置では、音叉
の機械的振動の振幅を小さくしているので、検出感度が
低くなり、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができないという
問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、被測
定体との距離が変動した場合であっても、被測定体の電
位を正確に検出することができる表面電位検出装置を提
供することである。

【０００８】本発明のもう一つの課題は、被測定体の電
位を高い感度で検出できる表面電位検出装置を提供する
ことである。

【０００９】本発明の更にもう一つの課題は、簡単な回
路構成を持つ表面電位検出装置を提供することである。

【００１０】本発明の更にもう一つの課題は、小型で、
軽量な表面電位検出装置を提供することである。

【００１１】本発明の更にもう一つの課題は、高耐圧部
品を使用しない安価な表面電位検出装置を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係る表面電位検出装置は、電位検知電極
と、距離検知電極と、信号処理回路とを含む。

【００１３】前記電位検知電極は、被測定体に容量結合
するための電極である。前記電位検知電極は、前記被測
定体との距離に対応する距離成分と、前記被測定体の電
位に対応する電位成分とを含む電位距離信号を出力す
る。

【００１４】前記距離検知電極は、前記被測定体に容量
結合するための電極である。前記距離検知電極は、前記
被測定体との距離に対応する距離信号を出力する。

【００１５】前記信号処理回路は、前記電位距離信号と
前記距離信号とが入力され、前記距離信号を用いて、前
記電位距離信号から前記距離成分を除去し、前記被測定
体の電位に対応する信号を生成する。

【００１６】上述したように、本発明に係る表面電位検
出装置は、前記電位検知電極から前記電位距離信号が出
力され、前記距離検知電極から前記距離信号が出力され
る。そして、前記信号処理回路は前記距離信号を用い
て、前記電位距離信号から前記電位検知電極と前記被測
定体との距離に対応する成分を除去して出力するので、
表面電位検出装置と前記被測定体との距離が変動した場
合であっても、前記被測定体の電位を正確に検出するこ
とができる。

【００１７】しかも、上記構成によれば、高電圧をフィ
ードバックする必要がなくなるので、回路構成が簡単に
なるとともに、大型で高価な高耐電圧部品、例えば，高
圧発生用トランス、整流用の高耐圧ダイオード、整流用
の高耐圧コンデンサ、ＤＣ／ＤＣコンバータ用高耐圧ト
ランスが不要になる。このため、小型で安価な低耐圧部
品、例えば、耐圧が数十Ｖ程度の表面実装型部品を用い
た簡単な回路で構成することができ、表面電位検出装置
が小型、軽量になり、安価になる。

【００１８】また、前記電位検知電極と前記被測定体と
の間の容量を大きな振幅で振動させることができるの
で、検出感度が高くなり、Ｓ／Ｎ比を大きくすることが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る表面電位検出
装置と被測定体の構成を概略的に示す図である。図１に
おいて、表面電位検出装置１０は、電位検知電極１１
と、距離検知電極１２と、信号処理回路２０とを含む。

【００２０】電位検知電極１１は、被測定体４０の被測
定面Ｓに容量結合するための電極である。電位検知電極
１１は、電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離に対応
する距離成分と、被測定面Ｓの電位に対応する電位成分
とを含む電位距離信号ｓ１を出力する。

【００２１】距離検知電極１２は、被測定面Ｓに容量結
合するための電極である。距離検知電極１２は、距離検
知電極１２と被測定面Ｓとの距離に対応する距離信号ｓ
２を出力する。

【００２２】信号処理回路２０は、電位距離信号ｓ１と
距離信号ｓ２とが入力され、距離信号ｓ２を用いて、電
位距離信号ｓ１から距離成分を除去し、被測定面Ｓの電
位に対応する信号ｓ３を生成する。

【００２３】上述のように、実施例に示された表面電位
検出装置１０は、電位検知電極１１から電位距離信号ｓ
１が出力され、距離検知電極１２から距離信号ｓ２が出
力される。そして、信号処理回路２０は距離信号ｓ２を
用いて、電位距離信号ｓ１から電位検知電極１１と被測
定面Ｓとの距離に対応する距離成分を除去して出力する
ので、表面電位検出装置１０と被測定面Ｓとの距離が変
動した場合であっても、被測定面Ｓの電位を正確に検出
することができる。

【００２４】しかも、上記構成によれば、高電圧をフィ
ードバックする必要がなくなるので、回路構成が簡単に
なるとともに、大型で高価な高耐電圧部品、例えば、高
圧発生用トランス、整流用の高耐圧ダイオード、整流用
の高耐圧コンデンサ、ＤＣ／ＤＣコンバータ用高耐圧ト
ランスが不要になる。このため、小型で安価な低耐圧部
品、例えば、耐圧が数十Ｖ程度の表面実装型部品を用い
た簡単な回路で構成することができ、表面電位検出装置
１０が小型、軽量になり、安価になる。

【００２５】また、実施例に示された表面電位検出装置
１０は、電位検知電極１１と被測定面Ｓとで構成される
容量を大きな振幅で振動させることができるので、検出
感度が高くなり、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。

【００２６】信号処理回路２０は、受動回路素子、能動
回路素子を用いて構成した専用回路として構成してもよ
いし、その一部または全部をコンピュータによって構成
してもよい。また、電位検知電極１１及び距離検知電極
１２の形状は任意であり、板状、線状、円形状、矩形状
など、多様な態様を採用し得る。また、電位検知電極１
１及び距離検知電極１２の構造についても、それが、所
定の要求特性を満たすものである限り、特に限定はな
い。例えば、電位検知電極１１は、チョッパ型のもので
あってもよいし、電子回路的手法により結合容量を変化
させるものであってもよい。更に、被測定面Ｓは、一般
には、感光体ドラムの表面であるが、静電帯電したプラ
スチックフィルムの表面であることもある。

【００２７】図２は、本発明に係る表面電位検出装置及
び被測定体の構成を更に具体的に示すブロック図、図３
は、表面電位検出装置１０の一部の構成を更に具体的に
示す回路図である。図２に示した実施例においては、被
測定面Ｓは直流高圧電源Ｖ_DCに接続され、被測定面Ｓの
表面電位Ｖｓは、第１基準電位ＧＮＤ１に対して、例え
ば、０Ｖから−１０００Ｖまで変化する。

【００２８】電位検知電極１１は、非接触手段で被測定
面Ｓの表面電位Ｖｓを測定すべく、被測定面Ｓと対向す
るように配置され、被測定面Ｓに容量結合されている。
電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離はＬ１であり、
その静電容量がＣ１となる。

【００２９】距離検知電極１２は、非接触手段で被測定
面Ｓとの距離を測定すべく、被測定面Ｓと対向するよう
に配置され、被測定面Ｓに容量結合されている。本実施
例においては、距離検知電極１２と被測定面Ｓとの距離
はＬ２は、距離Ｌ１と同じ値に設定されており、その静
電容量がＣ２となる。

【００３０】信号処理回路２０は、電位検出回路２１
と、変位検出回路２２と、演算回路２３とを含む。電位
検出回路２１は、インピーダンス変換回路２１１と、第
１の増幅器２１２と、第１の整流平滑回路２１３と、第
１のレベルシフト回路２１４と、変調信号発生回路２１
５と、メカニカルチョッパ２１６とを含む。

【００３１】変位検出回路２２は、信号発生器２２１
と、非反転増幅回路２２２と、第２の増幅器２２３と、
第２の整流平滑回路２２４と、減算回路２２５と、第２
のレベルシフト回路２２６と、第１の除算回路２２７と
を含む。

【００３２】図３に信号発生器２２１の回路図を示す。
信号発生器２２１は、オペアンプＡ１と、抵抗Ｒ１、Ｒ
２と、信号源ＶＧとを含む。信号源ＶＧの一端は接地電
位であるＧＮＤ１に接地されている。オペアンプＡ１
は、非反転入力端子が接地されている。オペアンプＡ１
の反転入力端子は、抵抗Ｒ１を介して信号源ＶＧの他端
に接続されるとともに、抵抗Ｒ２を介して出力端子に接
続されている。オペアンプＡ１の出力端子は、信号発生
器２２１の出力端子となる。

【００３３】非反転増幅回路２２２は、オペアンプＡ２
と、抵抗Ｒ３とを含む。オペアンプＡ２の反転入力端子
は、距離検知電極１２に接続されるとともに、抵抗Ｒ３
を介して出力端子に接続されている。オペアンプＡ２の
非反転入力端子は信号発生器２２１の出力端子に接続さ
れている。オペアンプＡ２の出力端子は、非反転増幅回
路２２２の出力端子となる。

【００３４】図４、図５は、図２に示した表面電位検出
装置１０の動作波形図である。以下、図２、図４、図５
を用いて、表面電位検出装置１０の動作を説明する。ま
ず、表面電位検出装置１０の静電容量Ｃ２は、誘電率を
ε₀とし、実効面積をＳ２とすると、Ｃ２＝ε₀＊Ｓ２／Ｌ２となる。ここで、距離検知電極１２と被測定面Ｓとの間
には空気のみが存在するので、誘電率ε₀は一定であ
り、実効面積Ｓ２も一定である。そのため、静電容量Ｃ
２は、距離Ｌ２の変化のみに依存し、静電容量Ｃ２は、
距離Ｌ２の逆数に比例する。静電容量Ｃ２が距離Ｌ２の
変化に依存して変化するので、距離検知電極１２から出
力される信号は、被測定面Ｓとの距離Ｌ２に対応する距
離信号ｓ２となる。

【００３５】信号発生器２２１は、信号源ＶＧから入力
された信号を、オペアンプＡ１で反転増幅し、信号ｓ２
１を出力する。信号ｓ２１を図４（ａ）に示す。信号ｓ
２１は、周期と振幅が一定のＡＣ信号であり、例えば、
周波数が１０ｋＨｚの正弦波とすることができる。

【００３６】非反転増幅回路２２２は、信号発生器２２
１から入力された信号ｓ２１を増幅して出力する。信号
ｓ２１の周波数をｆとすると、距離検知電極１２と被測
定面Ｓとの間のインピーダンスＸｃは、Ｘｃ＝１／（２πｆ＊Ｃ２）となり、非反転増幅回路２２２の増幅率は（Ｘｃ＋Ｒ
３）／Ｘｃとなる。この非反転増幅回路２２２の出力端
子から出力される電圧Ｖｏｕｔは、信号ｓ２１の振幅を
Ｖｍとすると、Ｖｏｕｔ＝｛（Ｘｃ＋Ｒ３）／Ｘｃ｝＊Ｖｍと表せる。

【００３７】信号ｓ２１の振幅Ｖｍ、周波数ｆは一定で
あるから、Ｖｏｕｔ＝｛（Ｘｃ＋Ｒ３）／Ｘｃ｝＊Ｖｍ＝（１＋Ｒ３／Ｘｃ）＊Ｖｍ＝（１＋Ｒ３＊２πｆ＊Ｃ２）＊Ｖｍ＝（１＋Ｒ３＊２πｆ＊ε₀＊Ｓ２／Ｌ２）＊Ｖｍとなり、電圧Ｖｏｕｔは、距離Ｌ２の変化のみに依存し
て変化するＡＣ信号となる。

【００３８】第２の増幅器２２３、第２の整流平滑回路
２２４、減算回路２２５は、信号ｓ２１と同じ電位の第
２基準電位ＧＮＤ２に接地されている。第２の増幅器２
２３は、非反転増幅回路２２２から入力されたＡＣ信号
を交流増幅して信号ｓ２２を出力する。信号ｓ２２を図
４（ｂ）に示す。

【００３９】第２の整流平滑回路２２４は、信号ｓ２２
を整流平滑して信号ｓ２３を出力する。信号ｓ２３を図
４（ｃ）に示す。この第２の整流平滑回路２２４は、Ｇ
ＮＤ２に接地されているため、ＧＮＤ２を基準にして、
信号ｓ２２を整流し、平滑する。

【００４０】減算回路２２５は、信号ｓ２３から信号ｓ
２１を減算して出力する。この減算回路２２５から出力
される信号は、直流の信号となる。

【００４１】第２のレベルシフト回路２２６は、減算回
路２２５から入力された信号のレベルを調整して信号Ｖ
ｂを出力する。信号Ｖｂを図４（ｄ）に示す。

【００４２】第２のレベルシフト回路２２６は、可変抵
抗を用いてゲインを調整可能にした非反転増幅回路等を
用いて構成してもよい。場合によっては、省略すること
も可能である。

【００４３】第１の除算回路２２７は、信号Ｖｂを基準
電圧Ｖｒｅｆで除算して、変位信号Ｖｃを出力する。基
準電圧Ｖｒｅｆは、距離検知電極１２が基準位置にある
とき、レベルシフト回路２２６から出力される信号と同
じ値に設定されている。したがって、変位信号Ｖｃは、
基準位置からの変位に対応する信号となる。変位信号Ｖ
ｃを図４（ｅ）に示す。

【００４４】一方、電位検出回路２１の変調信号発生回
路２１５は、一定の周波数の信号、例えば、７００Ｈｚ
の信号を出力する。メカニカルチョッパ２１６は、変調
信号発生回路２１５から入力された信号の周波数で、被
測定面Ｓと電位検知電極１１との間に挿入される。メカ
ニカルチョッパ２１６が挿入されると、被測定面Ｓと電
位検知電極１１との間の誘電率がΔεだけ変化し、静電
容量Ｃ１がΔＣ１だけ変化する。

【００４５】電位検知電極１１に発生する電荷ΔＱは、
実効面積をＳ１とし、被測定面Ｓと電位検知電極１１と
の間の電位差をＶ１とすると、 ΔＱ＝（ΔεＳ１／Ｌ１）＊Ｖ１＝ΔＣ１＊Ｖ１と表せる。したがって、電位検知電極１１に誘起される
変調電流ｉは、ｉ＝ΔＱ／Δｔ＝（Δε₀Ｓ１／Ｌ１）＊Ｖ１／Δｔ＝ΔＣ１＊Ｖ１／Δｔと表せる。変調電流ｉは、電位検知電極１１と被測定面
Ｓとの距離に対応する距離成分Ｌ１と、被測定面の電位
に対応する電位成分Ｖ１とを含む。そして、電位検知電
極１１は、変調電流ｉを電位距離信号ｓ１として出力す
る。

【００４６】インピーダンス変換回路２１１は、電位検
知電極１１から入力された電位距離信号ｓ１を電圧信号
に変換すると同時に、ハイ・インピーダンスをロー・イ
ンピーダンスに変換し、扱い易い信号にして出力する。

【００４７】第１の増幅器２１２は、インピーダンス変
換回路２１１から入力された信号をＡＣ増幅して信号ｓ
１１を出力する。信号ｓ１１を図５（ａ）に示す。信号
ｓ１１は、変調信号発生回路２１５から出力される信号
と同一の周波数、例えば、７００Ｈｚの略正弦波信号と
なる。

【００４８】第１の整流平滑回路２１３は、信号ｓ１１
をＤＣ信号に変換して、被測定面Ｓの電位に対応する成
分と変位信号に比例する成分とが乗算された信号を出力
する。

【００４９】第１のレベルシフト回路２１４は、第１の
整流平滑回路２１３から入力された信号のＤＣレベルを
調整して、電位変位信号Ｖａを出力する。電位変位信号
Ｖａを図５（ｂ）に示す。

【００５０】第１のレベルシフト回路２１４は、第２の
レベルシフト回路２２６と同様の非反転増幅回路を用い
て構成することができる。場合によっては、省略するこ
とも可能である。

【００５１】演算回路２３は、電位変位信号Ｖａと変位
信号Ｖｃとが入力され、電位変位信号Ｖａから変位信号
Ｖｃを除算して、信号ｓ３を生成する。信号ｓ３を図５
（ｃ）に示す。この信号ｓ３は、被測定面Ｓの表面電位
Ｖｓに対応する信号となる。

【００５２】次に、表面電位検出装置１０と被測定面Ｓ
との距離が変動した場合に、電位検知電極１１と被測定
面Ｓとの距離Ｌ１に対応する距離成分を除去して出力す
る方法について説明する。図６に、被測定面Ｓの表面電
位Ｖｓと信号Ｖｂとの関係を示し、図７に、被測定面Ｓ
の表面電位Ｖｓと電位変位信号Ｖａとの関係を示す。

【００５３】図６、図７に示すように、信号Ｖｂは表面
電位Ｖｓには依存せず、距離Ｌ２に依存する。電位変位
信号Ｖａは、表面電位Ｖｓに比例し、かつ、距離Ｌ１に
依存する。

【００５４】本実施例においては、被測定面Ｓと電位検
知電極１１との距離Ｌ１が、被測定面Ｓと距離検知電極
１２との距離Ｌ２と同一であるため、距離Ｌ１（＝Ｌ
２）が変化したとき静電容量Ｃ１、Ｃ２は同じ割合だけ
変化する。そのため、距離Ｌ１が変動したときの信号Ｖ
ｂの変化量は、電位変位信号Ｖａの変化量に比例する。

【００５５】したがって、距離Ｌ１＝ｘ１、ｘ２である
とき、電位変位信号Ｖａ＝Ｖａ（ｘ１）、Ｖａ（ｘ
２）、信号Ｖｂ＝Ｖｂ（ｘ１）、Ｖｂ（ｘ２）とする
と、Ｖａ（ｘ１）／Ｖａ（ｘ２）＝Ｖｂ（ｘ１）／Ｖｂ（ｘ
２）と表せる。ここで、ｘ１を基準位置、Ｖｂ（ｘ１）を基
準電圧（Ｖｒｅｆ）と定めれば、Ｖａ（ｘ１）＝Ｖａ（ｘ２）／（Ｖｂ（ｘ２）／Ｖｒｅｆ）＝Ｖａ（ｘ２）／Ｖｃとなる。

【００５６】表面電位検出装置１０においては、距離Ｌ
１が基準位置（ｘ１）から変動したｘ２にあるとき、Ｖ
ａ（ｘ２）、Ｖｂ（ｘ２）が検出される。したがって、
Ｖａ（ｘ２）、Ｖｂ（ｘ２）を上式に代入すれば、被測
定面Ｓの電位を正確に検出することができる。

【００５７】このように表面電位検出装置１０の信号処
理回路２０は、変位検出回路２２が変位信号Ｖｃ＝Ｖｂ
／Ｖｒｅｆを出力し、電位検出回路２１が電位変位信号
Ｖａを出力する。そして、信号処理回路２０の演算回路
２３は、電位変位信号Ｖａから変位信号Ｖｃを除算する
ことにより、電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離Ｌ
１に対応する成分を除去することができ、被測定面Ｓの
表面電位Ｖｓに対応する信号ｓ３を出力することができ
る。

【００５８】図８に、表面電位Ｖｓの検出結果を示す。
図８は、基準距離（ｘ１）を３ｍｍとし、距離Ｌ１が基
準距離から変動した場合の表面電位Ｖｓの検出結果を示
す図である。図８において、本発明に係る表面電位検出
装置１０により検出した信号ｓ３を実線で示し、従来の
高圧フィードバック型の電位検出装置により検出した結
果を一点鎖線で示す。

【００５９】図８に示すように、本発明に係る表面電位
検出装置１０は、被測定面Ｓと電位検知電極１１との距
離Ｌ１が変動した場合であっても、被測定面Ｓの電位Ｖ
ｓを正確に検出することができる。

【００６０】本発明に係る表面電位検出装置は、距離検
知電極１２と被測定面Ｓとの距離Ｌ２が、電位検知電極
１１と被測定面Ｓとの距離Ｌ１と異なった値でもよい。
但し、実施例に示したように、これらの距離が同じ値で
ある場合には、信号処理が容易になる。

【００６１】図９は、本発明に係る表面電位検出装置及
び被測定体の別の例を示すブロック図である。図９にお
いては、図２に現れた構成部分と同一の構成部分につい
ては、同一の参照符号を付してある。

【００６２】図９に示すように、実施例に示された表面
電位検出装置は、電位検知電極１１と、距離検知電極１
２と、電位検出回路３１と、変位検出回路２２と、演算
回路２３とを含む。

【００６３】電位検出回路３１は、インピーダンス変換
回路２１１と、第１の増幅器２１２と、第１の整流平滑
回路２１３と、第１のレベルシフト回路２１４と、変調
信号発生回路２１５と、シールドケース３１６と、静止
電極３１７と、インピーダンス発生器３１８とを含む。
被測定面Ｓと電位検知電極１１とは、静止電極３１７を
介して対向し、静電容量Ｃ１を構成しているシールドケ
ース３１６は、検知窓３１９を含み、電位検知電極１１
と、インピーダンス変換回路２１１と、第１の増幅器２
１２と、第１の整流平滑回路２１３と、第１のレベルシ
フト回路２１４と、変調信号発生回路２１５と、インピ
ーダンス発生器３１８と静止電極３１７とを覆ってい
る。そして、シールドケース３１６は、ＧＮＤ１に接地
されている。このシールドケース３１６は、特に、電位
検知電極１１の電位検知動作に対する外来電磁波の影響
を遮断するために設けられたものである。

【００６４】検知窓３１９は、静止電極３１７と被測定
面Ｓとの間に設けられた窓であり、静止電極３１７と被
測定面Ｓとの間に電界を通すためのものである。静止電
極３１７は、被測定面Ｓと電位検知電極１１との間に配
置されている。静止電極３１７は、導電性材料、例え
ば、金属材料により構成することができる。

【００６５】インピーダンス発生器３１８の一端は静止
電極３１７に電気的に接続されており、他端はシールド
ケース３１６に電気的に接続されている。

【００６６】変調信号発生回路２１５は、一定の周波数
の信号、例えば、７００Ｈｚの信号を出力する。

【００６７】インピーダンス発生器３１８は、変調信号
発生回路２１５から入力された信号の周波数で、静止電
極３１７のインピーダンスを周期的に変化させる。この
静止電極３１７のインピーダンスは、例えば、周波数７
００Ｈｚの正弦波状に変化する。

【００６８】静止電極３１７のインピーダンスが変化す
ると、静電容量Ｃ１が変化し、電位検知電極１１から電
位距離信号ｓ１が出力される。この動作は、基本的に
は、図１〜図８を参照して説明した表面電位検出装置１
０の動作と異なることはない。

【００６９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。（ａ）被測定体との距離が変動した場合であっても、被
測定体の電位を正確に検出することができる表面電位検
出装置を提供することができる。（ｂ）被測定体の電位を高い感度で検出できる表面電位
検出装置を提供することができる。（ｃ）簡単な回路構成を持つ表面電位検出装置を提供す
ることができる。（ｃ）小型で、軽量な表面電位検出装置を提供すること
ができる。（ｄ）高耐圧部品を使用しない安価な表面電位検出装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る表面電位検出装置及び被測定体の
構成を概略的に示す図である。

【図２】本発明に係る表面電位検出装置及び被測定体の
構成を更に具体的に示すブロック図である。

【図３】本発明に係る表面電位検出装置の一部の構成を
更に具体的に示す回路図である。

【図４】本発明に係る表面電位検出装置の動作波形を示
す図である。

【図５】本発明に係る表面電位検出装置の動作波形を示
す別の図である。

【図６】本発明に係る表面電位検出装置の表面電位Ｖｓ
と信号Ｖｂとの関係を示す図である。

【図７】本発明に係る表面電位検出装置の表面電位Ｖｓ
と電位変位信号Ｖａとの関係を示す図である。

【図８】本発明に係る表面電位検出装置の表面電位Ｖｓ
の検出結果を示す図である。

【図９】本発明に係る表面電位検出装置及び被測定体の
別の例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０表面電位検出装置１１電位検知電極１２距離検知電極２０信号処理回路４０被測定体ｓ１電位距離信号ｓ２距離信号ｓ３被測定体の電位に対応する信号

【手続補正書】

【提出日】平成１３年５月２２日（２００１．５．２
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４４】一方、電位検出回路２１の変調信号発生回
路２１５は、一定の周波数の信号、例えば、７００Ｈｚ
の信号を出力する。メカニカルチョッパ２１６は、変調
信号発生回路２１５から入力された信号の周波数で、被
測定面Ｓと電位検知電極１１との間に挿入される。メカ
ニカルチョッパ２１６が挿入されると、被測定面Ｓと電
位検知電極１１との間の誘電率がΔε ₀ だけ変化し、静
電容量Ｃ１がΔＣ１だけ変化する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】電位検知電極１１に発生する電荷ΔＱは、
実効面積をＳ１とし、被測定面Ｓと電位検知電極１１と
の間の電位差をＶ１とすると、 ΔＱ＝（Δε ₀ Ｓ１／Ｌ１）＊Ｖ１＝ΔＣ１＊Ｖ１と表せる。したがって、電位検知電極１１に誘起される
変調電流ｉは、ｉ＝ΔＱ／Δｔ＝（Δε₀Ｓ１／Ｌ１）＊Ｖ１／Δｔ＝ΔＣ１＊Ｖ１／Δｔと表せる。変調電流ｉは、電位検知電極１１と被測定面
Ｓとの距離に対応する距離成分Ｌ１と、被測定面の電位
に対応する電位成分Ｖ１とを含む。そして、電位検知電
極１１は、変調電流ｉを電位距離信号ｓ１として出力す
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５８】図８に、表面電位Ｖｓの検出結果を示す。
図８は、基準位置（ｘ１）を３ｍｍとし、距離Ｌ１が基
準位置から変動した場合の表面電位Ｖｓの検出結果を示
す図である。図８において、本発明に係る表面電位検出
装置１０により検出した信号ｓ３を実線で示し、従来の
高圧フィードバック型の電位検出装置により検出した結
果を一点鎖線で示す。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電位検知電極と、距離検知電極と、信号
処理回路とを含む表面電位検出装置であって、前記電位検知電極は、被測定体に容量結合するための電
極であり、前記被測定体との距離に対応する距離成分
と、前記被測定体の電位に対応する電位成分とを含む電
位距離信号を出力し、前記距離検知電極は、前記被測定体に容量結合するため
の電極であり、前記被測定体との距離に対応する距離信
号を出力し、前記信号処理回路は、前記電位距離信号と前記距離信号
とが入力され、前記距離信号を用いて、前記電位距離信
号から前記距離成分を除去し、前記被測定体の電位に対
応する信号を生成する表面電位検出装置。
【請求項２】請求項１に記載された表面電位検出装置
であって、前記信号処理回路は、変位検出回路と、電位検出回路
と、演算回路とを含み、前記変位検出回路は、前記距離信号が入力され、基準位
置からの変位に対応する変位信号を出力し、前記電位検出回路は、前記電位距離信号が入力され、前
記被測定体の電位に対応する成分と前記変位信号に比例
する成分とが乗算された電位変位信号を出力し、前記演算回路は、前記電位変位信号と前記変位信号とが
入力され、前記電位変位信号から前記変位信号を除算し
て、前記被測定体の電位に対応する信号を出力する表面
電位検出装置。
【請求項３】請求項２に記載された表面電位検出装置
であって、前記変位検出回路は、信号発生器と、非反転増幅回路
と、第２の増幅器と、第２の整流平滑回路と、減算回路
と、第２のレベルシフト回路と、第１の除算回路とを含
み、前記信号発生器は、一定の周波数の信号を出力し、前記非反転増幅回路は、前記信号発生器から入力された
信号を前記距離信号に基づく増幅率で増幅して出力し、前記第２の増幅器は、前記非反転増幅回路から入力され
た信号を交流増幅して出力し、前記第２の整流平滑回路は、前記第２の増幅器から入力
された信号を整流平滑して出力し、前記減算回路は、前記第２の整流平滑回路から入力され
た信号から前記信号発生器から入力された信号を減算し
て出力し、前記第２のレベルシフト回路は、前記減算回路から入力
された信号のレベルを調整して出力し、前記第１の除算回路は、前記第２のレベルシフト回路か
ら入力された信号を基準電圧で除算して変位信号を出力
する表面電位検出装置。
【請求項４】請求項２に記載された表面電位検出装置
であって、前記電位検出回路は、インピーダンス変換回路と、第１
の増幅器と、第１の整流平滑回路と、第１のレベルシフ
ト回路と、変調信号発生回路と、メカニカルチョッパと
を含み、前記変調信号発生回路は、一定の周波数の信号を出力
し、前記メカニカルチョッパは、前記変調信号発生回路から
入力された信号の周波数で、前記被測定体と前記電位検
知電極との間の静電容量を変化させ、前記インピーダンス変換回路は、前記電位距離信号を電
圧信号に変換して出力し、前記第１の増幅器は、前記インピーダンス変換回路から
入力された信号をＡＣ増幅して出力し、前記第１の整流平滑回路は、前記第１の増幅器から入力
されたＡＣ信号をＤＣ信号に変換して出力し、前記第１のレベルシフト回路は、前記第１の整流平滑回
路から入力された信号のＤＣレベルを調整して、前記電
位変位信号を出力する表面電位検出装置。
【請求項５】請求項２に記載された表面電位検出装置
であって、前記電位検出回路は、インピーダンス変換回路と、第１
の増幅器と、第１の整流平滑回路と、第１のレベルシフ
ト回路と、変調信号発生回路と、シールドケースと、静
止電極と、インピーダンス発生器とを含み、前記シールドケースは、検知窓を含み、前記電位検知電
極と、前記インピーダンス変換回路と、前記第１の増幅
器と、前記第１の整流平滑回路と、前記第１のレベルシ
フト回路と、前記変調信号発生回路と、前記インピーダ
ンス発生器と前記静止電極とを覆っており、前記検知窓は、前記静止電極と前記被測定体との間に設
けられ、前記静止電極は、前記被測定体と前記電位検知電極との
間に配置され、前記変調信号発生回路は、一定の周波数の信号を出力
し、前記インピーダンス発生器は、前記変調信号発生回路か
ら入力された信号の周波数で、前記静止電極のインピー
ダンスを変化させ、前記インピーダンス変換回路は、前記電位距離信号を電
圧信号に変換して出力し、前記第１の増幅器は、前記インピーダンス変換回路から
入力された信号をＡＣ増幅して出力し、前記第１の整流平滑回路は、前記第１の増幅器から入力
されたＡＣ信号をＤＣ信号に変換して出力し、前記第１のレベルシフト回路は、前記第１の整流平滑回
路から入力された信号のＤＣレベルを調整して、前記電
位変位信号を出力する表面電位検出装置。
【請求項６】請求項１ないし５の何れかに記載された
表面電位検出装置であって、前記電位検知電極と前記被測定体との距離、及び、前記
距離検知電極と前記被測定体との距離が同一である表面
電位検出装置。