JP4921034B2 - 電位測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、検知電極に生じる電荷の量によって被検知物の電位を検知する電位測定装置に関するものである。また、この電位測定装置を備える画像形成装置に関するものである。

従来、被検知物と検知電極との距離を変化させる方式の電位測定装置について、提案がある（特許文献1参照）。この電位測定装置は、圧電音叉、絶縁体、検知電極を有し、検知電極と圧電音叉との間には絶縁体が形成されていて、いわゆるコンデンサの構成となっている。この構成において、被検知物との間の距離を変化させる検知電極では、電荷が発生、増減し、これが検知電極からの交流の電気信号となる。

また、被検知物から見える検知電極の面積を変化させる方式の電位測定装置についても、提案がある（特許文献2参照）。この電位測定装置は、ＭＥＭＳ技術（半導体プロセス技術の応用）により作製されている。半導体プロセスでは、一般に、基板材料にシリコンを用いる。シリコン上に検知電極を形成する場合、シリコンと検知電極との間に絶縁体を形成する。シリコンは電気を流す性質を有するので、いわゆるコンデンサの構成となる。この構成において、被検知物から見える面積が変化する検知電極では、電荷が発生、増減し、これが検知電極からの交流の電気信号となる。

ここで、上記背景技術の電位測定装置及び本発明の電位測定装置が採用する方式である非接触式の電位測定装置が出力信号を発生する原理を説明する。

被検知物と検知電極との距離（ｇ）が変化するか、若しくは、被検知物と検知電極との間の誘電率（ε）が変化するか、若しくは、被検知物から見える検知電極の面積（ｓ）が変化すると、被検知物と検知電極間に誘起される電気（結合）容量（Ｃ）は変化する。
電気容量（Ｃ）は一般に式（１）で表すことができる。
Ｃ＝（ε・ｓ）／ｇ （１）
ここで、ε[Ｆ・ｍ^−１]は被検知物と検知電極間の誘電率、ｇ[ｍ]は被検知物と検知電極間の距離、ｓ[ｍ^２]は被検知物から見える検知電極の面積である。

また、電気容量（Ｃ）は式（２）で表すことができる。
Ｑ＝Ｃ×Ｖｄ （２）
ここで、Ｑは電荷の量、Ｖｄ[Ｖ]は被検知物の電位である。
式（１）を式（２）に代入すると、式（３）となる。
Ｑ＝（ε・ｓ）／ｇ×Ｖｄ （３）

ここで、被検知物から見える検知電極の面積が時間（ｔ）に伴って変化する場合、式（３）は式（４）で表すことができる。この変化は、例えば、被検知物と検知電極との間に導電性材料などで形成された遮断板を挿入、引出しすることで達成される。
Ｑ（ｔ）＝（ε・ｓ（ｔ））／ｇ×Ｖｄ （４）

式（４）を時間（ｔ）で微分すると式（５）となる。ここで、時間あたりの面積変化ｄｓ（ｔ）/ｄｔは分かっている値である。
ｄＱ（ｔ）／ｄｔ＝Ｉ（ｔ）＝（ε／ｇ・ｄｓ（ｔ）／ｄｔ）×Ｖｄ （５）
こうして、式（５）より検知電極からの電流信号Ｉ（ｔ）が得られる。これを電流−電圧変換すれば、電圧出力信号Ｖ（ｔ）を得ることができ、出力信号Ｖ（ｔ）から被検知物の電位Ｖｄが分かる。被検知物と検知電極との距離（ｇ）が時間（ｔ）に伴って変化する場合、被検知物と検知電極との間の誘電率（ε）が時間（ｔ）に伴って変化する場合についても、同様の考え方で、検知電極からの電流信号Ｉ（ｔ）が得られることが分かる。
特開２０００−１８０４９０号公報 特開２０００−１４７０３５号公報

しかしながら、非接触式の電位測定装置においては、検知電極とその近傍に存在する部材との間で電気容量（被検知物との間で発生する電気容量を除く電気容量で、以下では寄生容量とも言う）が発生する。この寄生容量によって検知電極で発生した電気信号の一部が、近傍に存在する部材に流出してしまうことがある。したがって、検知電極からの出力信号を低下させてしまうことがある。また、近傍に存在する部材にノイズ成分が存在すると、ノイズ成分が検知電極に流入して、シグナル／ノイズ比（以下、Ｓ／Ｎ比）を低下させてしまうことがある。上記の従来技術では、こうしたことが考慮されていなかった。

上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、被検知物の電位に応じて電荷が誘起される検知電極と、該誘起される電荷の発生量を変化させるための変化手段（変調器）と、を有する電位測定装置であって、該検知電極は支持部材上に絶縁体を介して設けられ、かつ前記被検知物に対向する面に、少なくとも１つの凹部と複数の凸部が形成されるように配置され、該凹部には前記検知電極が存在せずに前記絶縁体が露出し、前記複数の凸部は前記支持部材上の絶縁体上において夫々電気的に接続されていることを特徴とする。ここにおいて、例えば、検知電極の凹部は、前記絶縁体が露出するよう前記検知電極に形成された、孔と溝のうち少なくとも一方である。こうした構成では、被検知物からの電気力線によって、凹部ないし孔または溝により生じる角部、側壁に有効に電荷を生じさせることができる。

すなわち、図１に示す様に、凹部ないし孔または溝を設けることで、検知電極に角部、側壁が生じる一方、検知電極と検知電極を支持する部材との対向する面積が低下する。被検知物から見える検知電極の面積は低下するが、角部、側壁があるため、被検知物と検知電極との間に電位が生じると、角部、側壁にも電気力線が集まるので、凹部ないし孔または溝が有る時と無い時とでの出力信号の差を殆どないし或る程度無くすことがきる。他方で、検知電極と検知電極を支持する部材との対向する面積は低下するので、そこで発生する寄生容量は低下させることができる。

また、本発明の電位測定装置は、被検知物の電位に応じて電荷が誘起される検知電極と、該誘起される電荷の発生量を変化させるための変化手段（変調器）と、を有する電位測定装置であって、
該検知電極は、支持体上に絶縁体を介して設けられ、かつ分離配置された導電体部分を複数含み、更に該複数の導電体部分は電気的に繋がっていることを特徴とする。この構成の例としては、後述の実施例の検知電極を複数の導電体部分に分離して、これらの導電体部分を配線で繋げた構成がある。

また、本発明の電位測定装置は、被検知物の電位に応じて電荷が誘起される検知電極と、該誘起される電荷の発生量を変化させるための変化手段（変調器）と、を有する電位測定装置であって、
該検知電極は支持体上に絶縁体を介して設けられ、かつ前記絶縁体からなる絶縁性表面を複数の領域で露出させる平面パターンを有する導電体を有することを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、上記の電位測定装置と、画像形成手段とを備え、電位測定装置より得られる出力信号を用いて画像形成手段による画像形成を制御することを特徴とする。この画像形成装置は、本発明の電位測定装置を搭載することで、Ｓ／Ｎ比の比較的高い出力信号を得られ、被検知物の正確な電位を把握することが可能となる。これにより、被検知物への帯電処理、現像処理等を的確にできる。

以上に説明した本発明の電位測定装置によれば、上記の如き検知電極の独特の形態により、被検知物と検知電極間の電気容量の発生量を殆どないしあまり低下させることなく、寄生容量を低下させることが可能であり、Ｓ／Ｎ比を比較的高くできる。また、本発明の電位測定装置を搭載した画像形成装置は、本発明の電位測定装置より得られる被検知物の電位の比較的正確な情報をもとに、比較的高品位な画像形成が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に沿って説明する。
図１は、通常の電位測定装置の検知電極と比較しつつ、本発明の電位測定装置の第１の実施形態の検知電極付近の構成を示す。図１（ａ）は、検知電極に孔または溝を形成する前の通常のものの断面と上面を示し、検知電極１０１、絶縁層１０２、支持部材１０３からなる。図１（ｂ）は、平板状の検知電極１０１に複数の貫通孔１０４を形成した本実施形態のものの断面（支持部材１０３に垂直な面での断面）と上面（検知電極１１０を垂直方向真上から見た面）を示す。平板状の検知電極１１０に対してほぼ垂直な孔１０４を形成することにより、ほぼ直角な角部１０５とほぼ垂直に伸びる側壁１０６が有効に形成されている。そして、電極１１０を完全に貫いた孔１０４を形成することにより、支持部材１０３と絶縁層１０２を挟んで対向する検知電極１１０の面積が減少する。支持部材１０３と対向する検知電極１１０の面積が減少することで、図１（ａ）の構成と比較して、両者間で形成される寄生容量は低下する。

図２（ａ）は、孔を形成する前の検知電極１０１と被検知物２０１の配置関係を示す断面図である。図２（ｂ）は、孔１０４を形成した後の検知電極１１０と被検知物２０１の配置関係を示す断面図である。検知電極に対向する様に被検知物２０１が配置されていて、被検知物２０１と検知電極１０１または１１０との間に電位差が生じると、電気力線２０２が生じる。図２（ｂ）の場合、被検知物２０１から見える検知電極１１０の面積は、図２（ａ）の場合に比べて少ない。しかし、電気力線２０２が検知電極１１０の角部１０５に集中すること、又は側壁１０６に達することで、図２（ａ）の場合とほぼ同じ出力信号を得ることができる。本実施形態においても、上記の原理に基づいて検知電極１１０からの出力信号を信号処理回路で処理して被検知物２０１の電位を検出する方法は、従来のやり方と同じである。

図３を用いて、本実施形態の電位測定装置の動作例について説明する。

本発明の電位測定装置は、被検知物と検知電極とを対向させて配置し、当該検知電極に誘起される電荷の発生量を変化させる変化手段（変調器ともいう）を有する。本発明における上記変化手段（変調器ともいう）は、検知電極に誘起される電荷の発生量を変化させるものであれば特に制限はない。代表的なものとしては、被検知物と検知電極との間の距離を変化させることによって前記電荷を変化させるものがある。また、被検知物と検知電極との間にシャッタ等を配し被検知物から検知電極への電気力線の到達量を変化させることによって前記電荷を変化させるものがある。

検知電極１１０と被検知物２０１間の距離を変化させることで被検知物の電位に応じた出力信号を得る場合、例えば、図３に示す様に、検知電極１１０の面に対してほぼ垂直方向に検知電極１１０を上下に動かす。これらの動きを得るには、例えば、支持部材１０３に梁を形成して梁や支持部材に圧電体素子を形成し、圧電体素子に電圧を印加して、その形状変化を利用する駆動手段ないし変化手段（変調器）を用いる。また、梁や支持部材の一部に、近傍の静電引力発生用の電極と向かい合う様に、移動電極を形成し、それらの電極間に電圧を印加して静電引力を発生させて動かしてもよい。また、梁や支持部材等にコイル（または磁石）を形成して、その近傍に磁石（またはコイル）を形成し、コイルに電流を流して磁力を発生させてコイルと磁石間に斥力または引力を発生させる駆動手段で動かしてもよい。

上記駆動手段に限らず、モーター、振動、熱などを用いても構わない。

また、図４に示す様に、検知電極１１０と被検知物２０１間の距離を変化させてもよい。ここでは、図４に示す様に検知電極１１０を傾けることにより、距離の変化とともに、被検知物２０１から見える検知電極１１０の面積を変化させられる。これにより、出力信号をより大きくできる。この動きを得るには、図３の説明の駆動手段によるものと同様の駆動方法を用いることができる。

この場合、図４（ｂ）、（ｃ）に示す様に、検知電極１１０を傾ける角度をθ、孔または溝１０４の幅をＧ、検知電極１１０の厚さをＨとした場合、式（６）を満たすことで、図４（ｄ）の如く、貫通孔または溝１０４の底は、被検知物２０１から見えない状態となる。即ち、孔または溝１０４がないのと同様に、被検知物２０１から検知電極１１０の最外周輪郭内に来る電気力線がほぼ全て検知電極１１０で受け取られる状態となる。この結果、孔または溝がない場合の検知電極を用いたときの出力信号と同等の出力信号を得ることができる。
ｔａｎθ≧Ｇ／Ｈ （６）

この場合、検知電極１１０の幅Ｗの値が小さいほど、支持部材１０３と絶縁層１０２を挟んで対向する検知電極１１０の面積は小さくできるので、寄生容量を小さくできる。勿論、図２（ｂ）のところで説明した様に、検知電極１１０を傾ける角度が上記θより小さい状態においても、電気力線が検知電極１１０の角部１０５に集中する。さらに、側壁１０６に達する。従って、孔または溝がない検知電極を用いたときの出力信号に近い出力信号を得ることができる。

図５の如く、被検知物２０１と検知電極１１０との間の誘電率を変化させることで、被検知物２０１の電位に応じた出力信号を得てもよい。これは、被検知物２０１と検知電極１１０との間に遮蔽板を挿入して、被検知物２０１から見える検知電極１１０の面積を変化させることとも捉えられる。この様に、誘電率（ε）若しくは面積（ｓ）を変化させることで出力信号を得る場合、例えば、図５に示す様に、被検知物２０１と検知電極１１０との間において、周りと誘電率の異なる材料（誘電体５０１）の挿入、引出しをする。若しくは導電体５０２の挿入、引出しをする。誘電体若しくは導電体の挿入、引出しをするにも、図３の説明の駆動手段によるものと同様の方法を用いることができる。被検知物２０１と検知電極１１０との間の誘電率を変化させるには、この方法の他に、例えば、被検知物と検知電極との間に設けた材料の誘電率を電気的制御で変化させてもよい。

図５（ｂ）の構成を、図５（ｃ）、（ｄ）の如く複数並べると（複数の検知電極１１０は電気的に繋がっている）、並べた分だけ大きな出力信号を得ることが可能となる。ここで、誘電体５０１若しくは導電体５０２が一部で繋がった構成とすれば、一つの駆動源で複数の誘電体若しくは導電体を一度に動かすことが可能となる。図５（ｃ）は、支持部材１０３に垂直な面での断面を示し、図５（ｄ）は、複数の検知電極１１０を垂直方向真上から見た上面を示す。

上記種々の出力信号を得るための方法は、種々に組み合わせて用いることが可能である。例えば、検知電極１１０を上下に動かしながら、誘電体若しくは導電体を被検知物２０１と検知電極１１０との間に挿入、引出しをしたりしてもよい。これにより、振幅の更に大きな出力信号を得ることが可能となる。

検知電極を垂直方向真上から見た上面を示す図６は、本発明の電位測定装置の他の実施形態の検知電極３１０、４１０、６１０、７１０の形状を示す。孔１０４の形状については、多角形状であっても、円形（楕円形）等であっても構わない。また、図６（ａ）の様に、孔１０４の一部が検知電極３１０の端部で途切れていても構わない。さらに、図６（ｂ）の様に、一方向に長く、且つ検知電極４１０の端部で途切れている溝１０４を含む構造でも構わない。さらに、図６（ｃ）又は図６（ｄ）の様に一方向に長く伸びた溝に矩形の溝を組み合わせた構造とすることもできる。溝構造は、直線のみで構成されるだけでなく、曲線形状を用いても構わない。

さらには、検知電極に形成される凹部は、一部貫通しない孔や溝であってもよいし、規則的なパターンで形成されなくて、或る程度ランダムなパターンで形成されてもよい。上から見たパターンも、角形状に限らず曲線的等の形状でもよい。ただし、電気力線が集中しやすい性質を有するので、孔、溝の形状には角部が多いことが望ましい。

図７は、本発明の電位測定装置のさらに他の実施形態の検知電極の断面形状（支持部材１０３に垂直な面での断面形状）を示す。上記実施形態で示したように孔または溝１０４の壁面が、平板状の支持部材１０３に対して垂直である必要はない。好適には、図７に示すような逆テーパ形状となっていてもよい。逆テーパ形状とすることで、支持部材１０３と対向する検知電極５１０の面積をさらに減らしながら、被検知物から見える検知電極５１０の面積を大きく残すことが可能となる。よって、断面が逆テーパ形状の検知電極５１０を用いることにより、よりＳ／Ｎ比を大きくできる。この場合、図７に示す傾きと逆方向のテーパ（一般に順テーパと言う）であっても、本発明の効果を一定程度発揮することは、可能である。また、図１の角部１０５が、角形状でなく、曲面を含む形状であっても、本発明の効果を一定程度発揮することは、可能である。

次に、図４（ｃ）の構成において、図示の各寸法の比と出力低下率との関係を示す表１について説明する。

上記関係を求めるにあたっては、ANSYS[電磁場解析ソフト：サイバネットシステム社]を用いている。検知電極に孔または溝が形成されていない場合に得られる出力信号の大きさを１００％として、溝１０４を形成した場合の出力信号の低下率を示したものである。ここでの検知電極１１０の溝パターンは、図６（ｂ）に示す様な所謂ラインアンドスペース状の溝形状を用いている。

第１に、全てのタイプについて、電極幅Ｗが１に対して、溝幅Ｇが２の比の関係にあるので、支持部材１０３に対向する検知電極１１０の面積を約６７％低下できていることが分かる。これにより、寄生容量もほぼ同様の％分低下できる。第２に、検知電極１１０の高さＨが増大するほど、出力低下率が低くなっていることが分かる。例えば、タイプ（1）の形状比では、出力低下率を２％程度に止めることができている。

上記より、検知電極に、貫通した孔と溝とのいずれか一方若しくは両方を含む凹部を形成することで、出力信号を殆どないしあまり低下させることなく、寄生容量を比較的大きく低下できることが分かる。検知電極の高さＨの絶対値をあまり高くできない場合（例えば、スパッタリングや、蒸着などの成膜方法で検知電極部を作製する場合）、電極幅Ｗ、孔または溝の幅Ｇを小さくすることで、相対的にタイプ（1）の構成にすることは可能である。この場合、検知電極の最外周のサイズ、形状等が一定ならば、孔または溝の数は多くなる。

表１では、電極幅Ｗと孔または溝幅Ｇとの比は１：２となっているが、例えば、１：（２より大きい値）の場合、出力低下率は増大することになる。これを防止するには、検知電極の高さＨを高くすればよい。

次に、図８は、本発明の電位測定装置が組み込まれた画像形成装置の模式的な構成の一例を示す図である。この画像形成装置は、本発明の電位測定装置８０１、帯電器８０２、信号処理装置８０３、高電圧発生器８０４、露光装置８０５、トナー供給系８０６、被転写物送りローラー８０７、感光性ドラム８０８、被転写物８０９の構成よりなる。

動作は次の様に行われる。(1）帯電器８０２で、ドラム８０８を帯電する。(2）露光装置８０５で帯電部を露光し、潜像を得る。(3）トナー供給系８０６で潜像にトナーを付着させ、トナー像を得る。(4）トナー像を被転写物８０９に転写する。(5）被転写物８０９上のトナーを溶融して、固着させる。これらの工程を経て画像形成が達成される。この際、ドラム８０８の帯電状態を電位測定装置８０１で測定し、その結果を信号処理装置８０３で処理して、必要に応じて高電圧発生器８０４にフィードバックをかける。このことにより、安定したドラム帯電を実現し、安定した画像形成を実現できる。

本発明の電位測定装置の一実施形態の検知電極の構成を、従来のものと比較して示す図である。 図１の検知電極の構成と電気力線の分布との関係を、従来のものと比較して示す断面図である。 検知電極からの出力信号を発生させるための動作例を説明する断面図である。 検知電極からの出力信号を発生させるための別の動作例を説明する断面図である。 検知電極からの出力信号を発生させるための更に別の動作例を説明する図である。 本発明の電位測定装置の他の実施形態の検知電極の構成を示す平面図である。 本発明の電位測定装置の更なる他の実施形態の検知電極の断面構成を示す断面図である。 本発明の電位測定装置を搭載する画像形成装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

１０２・・・絶縁体（絶縁層）
１０３・・・支持体（支持部材）
１０４・・・凹部（孔、溝）
１０５・・・角部
１０６・・・側壁
１１０、３１０、４１０、６１０、７１０・・・検知電極
２０１、８０８・・・被検知物（ドラム）
５０１、５０２・・・変化手段（変調器、誘電体、導電体）
８０１・・・電位測定装置

Claims (8)

1. 被検知物の電位に応じて電荷が誘起される検知電極と、該誘起される電荷の発生量を変化させるための変化手段と、を有する電位測定装置であって、
   該検知電極は支持部材上に絶縁体を介して設けられ、かつ前記被検知物に対向する面に、少なくとも１つの凹部と複数の凸部が形成されるように配置され、
   該凹部には前記検知電極が存在せずに前記絶縁体が露出し、前記複数の凸部は前記支持部材上の絶縁体上において夫々電気的に接続されていることを特徴とする電位測定装置。
2. 前記凹部は、前記絶縁体が露出するよう前記検知電極に形成された、孔と溝のうち少なくとも一方である請求項１記載の電位測定装置。
3. 前記凸部は、被検知物に対向する面側の面積が、前記支持部材に対向する側の面積よりも大きくなるように構成される請求項１または２記載の電位測定装置。
4. 前記変化手段は、被検知物と検知電極との距離を変化させることで、前記電荷の発生量を変化させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電位測定装置。
5. 前記変化手段は、被検知物に対する検知電極の傾きを変化させることで、被検知物と検知電極との距離または被検知物から見える検知電極の面積を変化させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電位測定装置。
6. 前記変化手段は、被検知物と検知電極との間の誘電率を変化させることで、前記電荷の発生量を変化させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電位測定装置。
7. 前記変化手段は、被検知物と検知電極との間において遮蔽板の挿入、引出しをすることで、被検知物から見える検知電極の面積を変化させ、前記電荷の発生量を変化させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電位測定装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電位測定装置と、画像形成手段とを備え、該電位測定装置より得られる出力信号を用いて画像形成手段による画像形成を制御することを特徴とする画像形成装置。