(57)【要約】【課題】たとえ容量変化手段の振動周波数が高い場合においても、検知電極と支持基板間の寄生容量による信号減少をほとんど発生させることなく或いは抑制して、検知信号を取り出すことができる電位測定装置である。【解決手段】電位測定装置は、測定対象の面と検知電極１０１間の静電容量を変化させる容量変化手段と、容量変化手段によって検知電極１０１に静電誘導される電荷量を検知する検出手段とを有する。検出手段は、検知電極１０１と、検知電極１０１を保持する絶縁膜１０２と、絶縁膜１０２を保持する枠部材１０４を含み、絶縁膜１０２は、検知電極１０１と接触している領域と、枠部材１０４と接触している領域とが、絶縁膜１０２に平行な方向において、少なくとも一部において重複していない。【選択図】図１
2006003130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の面と検知電極間の静電容量を変化させるための容量変化手段と、容量変化手段によって前記検知電極に静電誘導される電荷量を検出するための検出手段とを有し、前記検出手段は、前記検知電極と、前記検知電極を保持する絶縁膜と、前記絶縁膜を保持する部材を含み、前記絶縁膜は、前記検知電極と接触している領域と、前記部材と接触している領域とが、絶縁膜に平行な方向において、少なくとも一部において重複していないことを特徴とする電位測定装置。
【請求項２】
前記検出手段は、単一の枠部材に対して、複数の検知電極を有している請求項１に記載の電位測定装置。
【請求項３】
前記検出手段は、高抵抗を用いて電流−電圧変化し、ＦＥＴソースフォロワ回路によりインピーダンス変化して電圧出力する回路構成を有している請求項１または２に記載の電位測定装置。
【請求項４】
前記検出手段は、高抵抗とオペアンプによるトランスインピーダンス回路により電圧出力する回路構成を有している請求項１または２に記載の電位測定装置。
【請求項５】
前記容量変化手段は、機械的な振動により測定対象の面と検知電極間の静電容量を変化させる請求項１に記載の電位測定装置。
【請求項６】
前記容量変化手段は、開口部を有するシールドを前記検知電極と平行な方向に振動させることにより容量を変化させる請求項１乃至５の何れかに記載の電位測定装置。
【請求項７】
前記検出手段は、枠部材を揺動させるねじりばねを有しており、前記容量変化手段は、枠部材をねじりばねの回りにねじり往復運動させることにより容量変化を行う請求項１乃至５の何れかに記載の電位測定装置。
【請求項８】
前記容量変化手段と検出手段は、マイクロマシーニング技術により形成されている請求項１乃至７の何れかに記載の電位測定装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れかに記載の電位測定装置と画像形成手段を備え、前記電位測定装置の検知電極を形成された面が前記画像形成手段の電位測定の対象となる面と対向して配置され、前記画像形成手段が電位測定装置の信号検出結果を用いて画像形成の制御を行うことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１０】
測定対象の面と検知電極間の静電容量を変化させるための容量変化手段と、前記容量変化手段によって前記検知電極に静電誘導される電荷を検出するための電荷検出手段とを備え、
前記検出手段は、前記検知電極と前記検知電極と接した状態で支持する支持部材とを備え、
前記支持部材の前記検知電極と接触する面が、絶縁体であり、
前記接触する面の反対側に凹部を備え、且つ前記凹部内の空間に前記絶縁体が露出していることを特徴とする電位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触型の電位測定装置、及びそれを用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
感光体を用いた電子写真式の画像形成装置において、高画質な画像を形成する場合には、非接触型電位測定装置により、感光体の電位を測定しながら画像形成装置を制御する必要がある。非接触型電位測定装置としては、帯電している感光体に検知電極を近接させ、機械的に感光体と検知電極間の容量を変化させ、静電誘導により検知電極に誘導される微小な電荷を測定する例がある。
【０００３】
図１１に、非接触型電位測定装置の概念的な構成図を示す。図１１において、５０１は測定対象、５０２は容量変化手段、５０３は電荷検出手段である。機械的に容量を変化させる容量変化手段５０２としては、測定対象５０１から検知電極１０１に入射する電気力線を周期的に変化させる方法を採用するものや、検知電極１０１を周期的に移動させる方法を採用するものがある。前者の例としては、測定対象（感光体）と検知電極間にフォーク形状のシャッタを挿入し、シャッタを測定対象の表面と平行な方向に周期的に動かすことで、測定対象から検知電極上に到達する電位力線を周期的に遮り、測定面から見た実効的な検知電極の面積を変化させて、測定対象と検知電極間の静電容量を変化させる構成がある（特許文献１参照）。
【０００４】
また、測定対象と対向する位置に開口部を有した金属のシールド材を配置し、フォークの形状をした振動素子の先端に検知電極を設け、検知電極の位置が該開口部直下で平行に移動することで、検知電極に達する電位力線の数を変化させ、静電容量を変化させる構成もある（特許文献２参照）。
【０００５】
後者の例としては、検知電極を片持ち梁状の振動子の先端に配置し、片持ち梁を振動させることで、測定対象と検知電極間の距離を周期的に変化させ、静電容量を変化させる構成がある（特許文献３参照）。
【特許文献１】米国特許第4,720,682号公報
【特許文献２】米国特許第3,852,667号公報
【特許文献３】米国特許第4,763,078号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非接触型の電位測定装置における検知電極に静電誘導される微小な電荷をＱとすると、
Ｑ＝ＣＶ・・・式（１）
で表すことができる（Ｃ：測定対象と検知電極間の実効容量、Ｖ：測定対象の電位）。測定対象（感光体など）と検知電極が形成する静電容量は、機械振動などにより周期的に変化するため、
Ｃ＝ＣＯ・ｓｉｎ（ω・ｔ）・・・式（２）
と表すことができる（ＣＯ：静電容量の変化係数）。これらの式から、検知電極に誘導される微小な電荷Ｑが微小電流Ｉとして取り出されるとすると、
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ
＝ω・ＣＯ・Ｖ・ｃｏｓ（ω・ｔ）＝２π・ｆ・ＣＯ・Ｖ・ｃｏｓ（ω・ｔ）・・・式（３）
と表すことができる（ここで、ｆ：振動周波数）。式（３）から、電位測定装置からの検出信号は、静電容量の変化係数ＣＯと振動周波数ｆにより決定されることが分かる。
【０００７】
他方、半導体プロセスを応用したマイクロマシーニング技術と呼ばれる微細な機械加工技術を用いて、電位測定装置を作製することにより、電位測定装置の振動周波数を飛躍的に向上させる（例えば、数十kHz）ことができる。そのため、大きな出力信号の電位測定装置を実現できる可能性がある。しかし、マイクロマシーニング技術によく用いられる半導体基板や導体基板を検知電極の支持基板として用いた場合、検知電極と支持基板間の寄生容量が発生し、この寄生容量による出力信号減少が考えられる。
【０００８】
図１０に、検知電極−支持基板間に発生する寄生容量を説明する模式図を示す。図１０（ａ）は平面を示す模式図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の断面Ａでの断面の模式図である。図１０において、１０１は検知電極、１０２は絶縁膜、１０３は支持基板である。支持基板１０３の片面上に絶縁膜１０２が形成されており、検知電極１０１は絶縁膜１０２上に形成されて支持基板１０３から直流的には絶縁されている。
【０００９】
ここにおいて、検知電極１０１と支持基板１０３間には、寄生容量が存在する。一般的に平行平板コンデンサの容量ＣＰは、
ＣＰ＝εＰＳＰ／ｄＰ・・・式(４)
で表すことができる（εＰ：誘電率、ＳＰ：コンデンサの面積、ｄＰ：コンデンサの距離）。検知電極１０１と支持基板１０３間の寄生容量は、平行平板コンデンサと同じと見なすことができるとすると、寄生容量は絶縁膜１０２の誘電率、検知電極１０１の面積、検知電極１０１−支持基板１０３間の距離で決まる。
【００１０】
絶縁膜１０２の誘電率は成膜する条件によって少し変化するが、絶縁膜１０２に用いる材料によってほぼ一意に決まる。一例として、シリコン窒化膜で比誘電率が７程度、シリコン酸化膜で３．９程度である。検知電極１０１の面積は、式（２）の静電容量の変化係数ＣＯに比例するため、出力信号の観点から一意に設定される。また、検知電極１０１−支持基板１０３間の距離は、半導体プロセス（マイクロマシーニング技術）を用いて成膜する絶縁膜１０２の厚さにより決まる。絶縁膜１０２の厚さは、絶縁膜の成膜法や成膜時間で変化させることができるが、半導体プロセスを用いるため、生産の現実性を考えると、非常に薄い厚さしか実現することができない。
【００１１】
そのため、マイクロマシーニング技術を利用して作製した電位測定装置では、絶縁膜が薄いために検知電極−支持基板間の寄生容量が大きくなる。この寄生容量によって、出力信号が低下するのである。この出力信号の低下は、振動周波数が高くなると共に大きくなる。そのため、マイクロマシーニング技術を利用して作製した、振動周波数を向上させた電位測定装置などにおいては、式（３）での振動周波数fによる出力信号の増加分を打ち消してしまい、そのままでは高性能な電位測定装置を実現することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、測定対象の面と検知電極間の静電容量を変化させるための容量変化手段と、容量変化手段によって前記検知電極に静電誘導される電荷量を検出するための検出手段とを有し、前記検出手段は、前記検知電極と、前記検知電極を保持する絶縁膜と、前記絶縁膜を保持する部材を含み、前記絶縁膜は、前記検知電極と接触している領域と、前記部材と接触している領域とが、絶縁膜に平行な方向において、少なくとも一部において重複していないことを特徴とする。ここにおいて、重複するか否かは、絶縁膜の厚さ分を無視した場合で考える。
【００１３】
また、上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、測定対象の面と検知電極間の静電容量を変化させるための容量変化手段と、前記容量変化手段によって前記検知電極に静電誘導される電荷を検出するための電荷検出手段とを備え、前記検出手段は、前記検知電極と前記検知電極と接した状態で支持する支持部材とを備え、前記支持部材の前記検知電極と接触する面が、絶縁体であり、前記接触する面の反対側に凹部を備え、且つ前記凹部内の空間に前記絶縁体が露出していることを特徴とする。
【００１４】
この構成において、容量変化手段としては、上記背景技術のところで説明した様な機械的な振動を利用する構造のものの他に、ヒータなどを用いて検知電極周辺の空気や誘電体の温度を周期的に変化させて、測定対象表面と検知電極との間の誘電率を周期的に変化させる構成のものなどがあるので、測定対象面と検知電極間の静電容量が変化する態様を表現する言葉としては、例えば、振動周波数ないし変化周波数とでも言うべきであるが、本明細書では簡単の為に単に振動周波数と言う。
【００１５】
また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、上記電位測定装置と画像形成手段を備え、電位測定装置の検知電極を形成された面が画像形成手段の電位測定の対象となる面と対向して配置され、画像形成手段が電位測定装置の信号検出結果を用いて画像形成の制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電位測定装置では、たとえ容量変化手段の振動周波数が高い場合においても、検知電極と支持基板間の寄生容量による出力信号減少をほとんど発生させることなく或いは抑制して、検知信号を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明では、検知電極と支持基板間での寄生容量による出力信号の減少がほとんどないか抑制された電位測定装置を実現するために、検知電極とそれを保持する基板の構造に着目する。具体的には、検知電極と、検知電極を保持する絶縁膜と、絶縁膜を保持する枠部材を有する構造として、上記の如く、絶縁膜が検知電極に接触する領域と、絶縁膜が枠部材に接触する領域が、絶縁膜に平行な方向において、少なくとも一部において重複していないことを特徴としている。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係る電位測定装置の、検知電極とそれを保持する構造を説明する模式図である。図１（ａ）は平面を示す模式図、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面Ｂでの模式図である。図１において、１０１は検知電極、１０２は絶縁膜、１０４は空洞部１０４ａを持つ枠部材である。
【００１９】
検知電極１０１には、検知電極に静電誘導される電荷量を検知する検出手段として、電流−電圧変換を行う初段増幅部（不図示）が接続されている。また、検知電極１０１には、機械的な振動などにより測定対象の面と検知電極間の静電容量を変化させる容量変化手段（不図示）により、測定対象の電位に対応した電荷が静電誘導される。この際に誘導される電荷は、上記初段増幅部の内部抵抗等を介して供給される。
【００２０】
検知電極１０１は、絶縁膜１０２により保持されている。そして、この絶縁膜１０２は、枠部材１０４によって保持されている。本実施形態では、絶縁膜１０２に平行な方向において、検知電極１０１が絶縁膜１０２と接触している領域には枠部材１０４の材料部は存在しない構造となっており、検知電極１０１下方向（絶縁膜１０２に垂直な方向）では枠部材１０４は空洞部１０４ａとなっている。
【００２１】
この構造では、検知電極１０１と枠部材１０４は、比誘電率が１の空気により絶縁されており、且つこれらの間の距離は薄膜の絶縁膜１０２に比べて桁違いに大きくすることができる。そのため、寄生する容量は、図１０の構造に比べて極端に小さいものとなる。この構造はマイクロマシーニング技術を利用して、図１０の構造の下面をエッチング等することにより容易に実現できる。
【００２２】
本実施形態において、検知電極１０１は薄膜状のため、絶縁膜１０２で保持することができる。また、枠部材１０４が検知電極１０１を取り囲むように存在しているため、強い物理的強度を得ることができる。
【００２３】
このように本実施形態によると、検知電極と支持基板（枠部材）間に寄生する容量を、空洞部を持つ枠部材という簡単な構造を用いるだけで減少させることができる。なお、図２と図３に示すように、枠部材１０４は、絶縁膜１０２が検知電極１０１に接触する領域と、絶縁膜１０２が枠部材１０４に接触する領域が、絶縁膜１０２に平行な方向において、一部において重複している様な形態としたり、空洞部１０４ａの下に少なくとも一部において底部１０４ｂがある様な形態としたりしてもよい。前者では、多少寄生容量は増えるが図１０の構造よりは小さくできる。後者では、多少作製が面倒となるが物理的強度は大きくできる。
【００２４】
電位測定装置は、数ｍｍ以上という或る距離を持った測定対象（感光体など）と検知電極間の容量の変化により出力信号を得るので、検知電極に静電誘導される電荷は微小なものとなる。したがって、検出される微小電流の変化を電圧信号に変換する必要がある。そのために、検知電極１０１に接続された電流−電圧変換を行う初段増幅部は、Ｍｅｇ以上の高ゲインの電流−電圧変換（Ａ／Ｖ）を行う必要がある。
【００２５】
図４は、電流−電圧変換を行う初段増幅部の回路例について説明する図である。図４（ａ）に、高抵抗を用いたＦＥＴソースフォロワ回路を示す。ここで、ＶＣＣは電源電圧を示す。図４（ａ）の回路は、高抵抗ＲＩＮに流れる微小電流により発生した抵抗ＲＩＮ両端での電圧を、高入力インピーダンスとなっているＦＥＴソースフォロワ回路で、インピーダンス変換して電圧出力ＶＯＵＴとしている。
【００２６】
一般に、支持基板をＧＮＤに接地している場合、検知電極１０１と枠部材１０４間に大きな寄生容量が存在すると、高抵抗ＲＩＮに並列に容量成分が存在することになる。高抵抗ＲＩＮと寄生容量部の振動周波数でのインピーダンスは、電位測定装置の振動周波数ｆが高くなると低下し、抵抗ＲＩＮ両端に発生する電圧が減少することになる。
【００２７】
また、支持基板をフローティング状態にしている場合でも、寄生容量が大きく振動周波数が高ければ、支持基板と検知電極１０１が交流的に結合してしまい、また半導体ないし導体の支持基板が検知電極と同等の効果を有するため、信号同士が打ち消し合い出力信号を減少させることになる。加えて、出力信号の位相が異なる複数の検知電極１０１がある場合、寄生容量が大きく振動周波数が高ければ、検知電極間の信号の漏洩により信号同士が打ち消し合い出力信号が小さくなる。
【００２８】
本実施の形態によると、検知電極１０１と支持基板（枠部材１０４）間の寄生容量を大幅に減少させることができるので、図４（ａ）で示すような高抵抗を用いたＦＥＴソースフォロワの電流−電圧変換回路を用いた電位測定装置において、振動周波数が高い場合でも高ゲインの電流−電圧変換を実現できる。
【００２９】
以上のように、本実施形態によると、検知電極と支持基板（枠部材）間に寄生する容量を、簡単な構造を用いることで減少させられる。そのため、高い振動周波数を持つ電位測定装置において、寄生容量による初段増幅部での出力信号の低下を抑えられ、大きな出力が得られる高性能な電位測定装置を提供することができる。
【００３０】
また、支持基板（枠部材）に半導体基板や導電性基板を用いることができ、設計や作製プロセスの自由度が高くなり、高性能化や低コスト化が可能な電位測定装置を提供できる。さらに、支持基板（枠部材）を機械的に振動させる形態においては、枠部材が軽量化できるので高い振動周波数を実現することができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、図１に示すように絶縁膜１０２が枠部材１０４の一部に接触するような構造にしたが、絶縁膜１０２が枠部材１０４の一面全体を覆うような構造にしてもよい。それにより、製造工程を簡略にすることができ、比較的低コストな電位測定装置を提供できる。
【００３２】
また、図１に示すように、検知電極１０１と枠部材１０４がそれぞれ絶縁膜１０２と接触する面を、それぞれ、絶縁膜１０２の異なる側の面としたが、同じ側の面で接触するようにしてもよい。また実際には、絶縁膜１０２上には、検知電極１０１から初段増幅部へ信号を取り出すための配線が形成され、枠部材１０４との間で寄生容量が発生するが、配線面積は小さいため大きな影響は与えない。
【００３３】
（第２の実施の形態）
本実施の形態に係る電位測定装置は、初段増幅部の回路構成が第１の実施の形態と異なる形態である。その他は第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態での図４（ａ）の回路構成は、振動周波数が高くなった場合、ＦＥＴ自体のゲート部の容量によって、電流−電圧変換部でのゲインの減少が考えられる。図４（ｂ）に、第２の実施形態のオペアンプを用いたトランスインピーダンス変換回路を示す。図４（ｂ）の回路は、広帯域オペアンプを用いることにより、高速且つ高ゲインな電流−電圧変換を実現できる回路である。
【００３４】
一般に、トランスインピーダンス回路は、入力端子部に入力容量ＣＰが存在すると、周波数特性が劣化する。そのため、位相補償コンデンサＣｆを帰還抵抗Ｒｆに並列に挿入して、負帰還回路の安定化を図る必要がある。しかし、挿入した位相補償コンデンサＣｆにより高周波数域で帰還量が減少し、出力信号の低下が発生する。このように、入力容量が存在する（ここでは検知電極−支持基板間の寄生容量）と、トランスインピーダンスで実現できる電流−電圧変換のゲインが減少することが考えられる。
【００３５】
第２の実施の形態に係る電位測定装置を用いることによって、寄生容量ＣＰを小さくできるため、回路が安定に動作する為に必要な位相補償コンデンサＣｆも小さくできて上記ゲインの低下は起こらない。つまり、第１の実施の形態において、初段増幅部をトランスインピーダンス回路とすることによって、更に高い振動周波数においても、高いゲインの電流−電圧変換を行うことができる電位測定装置を実現できる。
【００３６】
なお、本実施形態でも、図４（ｂ）に示すように支持基板（枠部材）をＧＮＤに接地する構成としたが、本実施形態もこれに限ったものではなく、さまざまな構成を用いることができる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
本実施の形態に係る電位測定装置は、平行な機械的振動により静電容量を変化させる容量変化手段を用いる形態に関する。その他は、上記実施形態の何れかと同じである。
【００３８】
図５に、本実施の形態に係る電位測定装置を説明する模式図を示す。図５において、２０１はシールド部、２０２は開口部、２０３は梁、２０４は移動側の櫛歯電極、２０５は固定側の櫛歯電極、２０６は絶縁膜１０２上の配線、２０７は配線２０６に繋がったパッドである。シールド部２０１は、導電性の部材で構成されており、電界を空間的に成形する目的を持ち、或る電位に固定されている。シールド部２０１に開けられた開口部２０２を通して測定対象物から来る電気力線により、検知電極１０１上に電荷が誘導される。検知電極１０１へ誘導された電荷は、絶縁膜１０２上の配線２０６を経由して、パッド２０７から取り出され、電荷検出手段（初段増幅部）に接続されている（不図示）。
【００３９】
移動側櫛歯電極２０４と固定側櫛歯電極２０５間に交流の高電圧を印加することにより、電極の櫛歯部の間に引力を発生させ、方向Ｃの向きにシールド部２０１が往復運動を行う。その往復運動により、検知電極１０１に電荷が誘導される。
【００４０】
図６は、本実施の形態に係る電位測定装置の、検知電極１０１とそれを保持する構造を説明する断面の模式図である。図６（ａ）は、図５の断面Ｄでの断面図である。
【００４１】
図６（ａ）のように、複数の空洞部１０４ａを持つ枠部材１０４により支持された絶縁膜１０２上に、各空洞部１０４ａに対応して検知電極１０１がライン状ないし長尺な短冊状に構成されている。ライン状の検知電極１０１の下方向は、空洞部１０４ａとなって枠部材１０４の材料部が存在しない構成となっている。枠部材１０４の複数の材料部を検知電極１０１と対応させてライン状に配置することによって、検知電極１０１のトータルの電極面積が大きい場合においても、検知電極１０１を支持する絶縁膜１０２のたわみを減らしたり、使用可能な強度範囲を広げることができる。また、ライン状に配置した検知電極１０１の数を多数配置することによって、誘導される電荷量を増やすことができる。
【００４２】
これらの特徴を持つ本実施の形態により、トータルの電極面積の大きい電位測定装置においても、出力信号を減少させること無く、寄生容量の少ない構造を構成でき、高精度な電位測定装置を実現できる。
【００４３】
また、上記のライン状の検知電極１０１を持つ電位測定装置の構成においては、検知電極１０１の幅が小さいのでシールド部２０１に必要とされる移動量を少なくできるため、振動の高速化が可能となる。この構成は、高速な振動における寄生容量の出力信号への影響を効果的に低減することができるため特に望ましい。
【００４４】
図６（ｂ）は、本実施形態の別の構成を示す断面の模式図である。図６（ｂ）では、シールド部２０１の１つの開口部２０２と枠部材１０４の１つの空洞部１０４ａに対して、複数の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂを配置している。本実施形態を用いることで、空洞部１０４ａの存在により複数の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂの信号間でのクロストークが発生しにくいため、複数の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂから異なる出力信号を精度良く分離して取り出すことができる。この様に、差動処理できる所望の信号が出力できるように、シールド部２０１の１つの開口部２０２に対して、複数の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂを任意に配置することが可能になるため、高性能な電位測定装置を実現できる。
【００４５】
また、シールド部２０１の１つの開口部２０２と枠部材１０４の１つの空洞部１０４ａに対して、複数の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂを配置するため、配置が容易であり小型な構成とでき、高速な振動周波数の電位測定装置を提供することができる。なお、本実施の形態では、静電駆動方式の電位測定装置としたが、この駆動方式に限るものではなく、検知電極１０１に対してシールド部２０１を平行に駆動できるものであれば、如何なる方式のものでも用いることができる。
【００４６】
（第４の実施の形態）
本実施の形態に係る電位測定装置は、揺動中心軸の回りの機械的な振動により静電容量を変化させる容量変化手段を有する形態に関する。その他は、第１の実施の形態ないしは第２実施の形態と同じである。
【００４７】
図７に、本実施の形態に係る電位測定装置を説明する模式図を示す。図７において、３０１はシールド部、３０２は開口部、３０３は支持基板、３０４はねじりばね、３０５は配線、３０６はパッド、３０７はコイル基板、３０８はコイル、３０９はパッドである。シールド部３０１は、導電性の部材で構成されており、測定対象物からの電界を空間的に成形する目的を持ち、或る電位に固定されている。シールド部３０１に開けられた開口部３０２を通して、振動する枠部材１０４上に絶縁膜１０２を介して設けられた検知電極１０１に電荷が誘導される。
【００４８】
本実施形態では、２つの空洞部１０４ａを有する枠部材１０４が一体となって形成されており、枠部材１０４は一対のねじりばね３０４により支持基板３０３に揺動振動可能に支持されている。絶縁膜１０２上には、配線３０５とパッド３０６も形成されており、電荷検出手段（初段増幅部）に接続されている（不図示）。一体となった枠部材１０４を揺動させるために、コイル基板３０７上にコイル３０８、パッド３０９が形成されている。
【００４９】
図８は、本実施の形態に係る電位測定装置の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂとそれを保持する構造を説明する模式図である。図８（ａ）は平面を示す模式図、図８（ｂ）は図８（ａ）の断面Ｅでの模式図である。図示するように、検知電極１０１Ａ、１０１Ｂはそれぞれ枠部材１０４の２つの空洞部１０４ａに対応して配置されている。
【００５０】
図８において、３１０は磁石である。図８（ｂ）のように、一体となった枠部材１０４の下部には、Ｓ極とＮ極を図示のように配置した磁石３１０が配置されている。コイル３０８に交流電流を流すことにより磁界を発生させ、磁石３１０との間に引っ張り力や反発力を発生させる。それにより、一対のねじりばね３０４で規定される軸Ｆを中心として方向Ｇの向きに、枠部材１０４を揺動（ねじり運動）させる。測定対象と検知電極１０１Ａ、１０１Ｂとの距離が変化するため、検知電極１０１Ａ、１０１Ｂ上に電荷が誘導される。ここでは、２枚の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂを図８のように配置しているため、それぞれの検知電極１０１Ａ、１０１Ｂが測定対象に対して上下逆の方向に揺動される。したがって、それぞれの検知電極１０１Ａ、１０１Ｂからは、位相の１８０度反転した出力信号が出力される。こうして、本実施の形態では、位相が１８０度反転した出力信号を分離して得て差動処理するので、同相ノイズの除去比が高い電位測定装置を提供することができる。
【００５１】
この構成は、枠部材１０４全体を小さくすることにより、ねじれの振動周波数を高くすることが容易である。本実施の形態の構成も、高速な振動における寄生容量の出力信号への影響を効果的に低減することができるため特に望ましい。
【００５２】
また、図８（ｂ）のように、検知電極１０１Ａ、１０１Ｂの下方向は、絶縁膜１０２のみで枠部材１０４の材料部は存在しない構造となっている。そのため、上記実施の形態と同様に、検知電極１０１と枠部材（支持基板）１０４間の寄生容量が小さい構造となっている。
【００５３】
また、一体となった枠部材１０４の中央部の材料部に揺動の軸Ｆを一致させているため、揺動時の軸のたわみを軽減することができる。よって、ねじれの周波数の設計が容易となり、また安定したねじれの往復運動を行うことができるため、安定した出力を得られる。したがって、出力が短期間に安定するため、高精度且つ高速な電位測定装置を提供することができる。
【００５４】
但し、剛性が必要十分であれば、枠部材１０４の材料部に揺動の軸Ｆを一致させる必要は無く、外周部のみが材料部となった枠部材１０４によって構成してもよい。また、枠部材１０４の空洞部１０４ａの数は２つに限定するものではなく、２つ以上の空洞部１０４ａを持つ枠部材１０４の構成としてもよい。
【００５５】
また、枠部材１０４の下部に、複数の空洞部１０４ａに渡って磁石３１０を配置しているため、枠部材１０４全体の剛性を高めることができる。つまり、検知電極との間の寄生容量を低減するために枠部材１０４の材料部を細くしても、枠部材１０４自体の剛性を保つことができる。こうして、寄生容量の影響を更に低減することができ、高精度な電位測定装置を提供することができる。
【００５６】
なお、本実施の形態では、図８のように２枚の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂを配置したが、本実施形態はこれに限るものではなく、任意の位置・形状の検知電極１０１を複数配置したものであってもよい。なお、本実施の形態でも、電磁駆動方式の電位測定装置を用いたが、本実施形態はこれに限るものではなく、枠部材１０４を揺動するように駆動できる方式であれば、如何なるものも用いることができる。
【実施例１】
【００５７】
ここで、本発明の電位測定装置を用いた画像形成装置の実施例を、図９を用いて説明する。図９は、感光ドラム４０１の回転軸Ｈと垂直な平面上での配置を示した図である。図９において、４０１は感光ドラム、４０２は紙、４０３はクリーナ部、４０４は帯電手段、４０５は露光手段、４０６は本発明の電位測定装置、４０７は現像手段である。
【００５８】
感光ドラム４０１は、軸Ｈを中心に方向Ｉの向きに回転する。感光ドラム４０１は、帯電手段４０４により帯電され、露光手段４０５により露光されて帯電パターンが形成される。電位測定装置４０６は、感光ドラム４０１上での帯電パターンの電位を測定する。現像手段４０７においては、帯電パターン部のみ（または、帯電パターン部以外のみ）にトナー等を吸着させて現像し、方向Ｊに走査されている紙４０２上に画像が転写される。その後、感光ドラム４０１は、クリーナ部４０３により清掃される。電位測定装置４０６での測定結果を用いて、帯電手段４０４や露光手段４０５などの制御を行い、画像の調整を行う。
【００５９】
本実施例では、電位測定装置４０６として、第３の実施の形態（図５、図６（ａ））に記載した電位測定装置を用いる。枠部材１０４はシリコン基板を用いており、絶縁膜１０２はシリコン酸化膜（厚さ２００ｎｍ）である。検知電極１０１には金を用いている。シールド部２０１、梁２０３、櫛歯電極２０４、２０５は、Ｎｉにより構成されている。また、シールド部２０１、梁２０３、櫛歯電極２０４は、ＧＮＤに接地されている。
【００６０】
シールド部２０１には、１０μｍ×１００μｍの開口部２０２が、２０μｍ間隔でライン状（長尺な短冊状）に５０個配置されている。開口部２０２直下には、２０μｍ×１００μｍの検知電極１０１が各開口部２０２に対応してライン状に配置されている。ライン状に並んだ検知電極１０１は配線２０６によって接続され、初段増幅部に接続されている（不図示）。初段増幅部では、５０ＭｅｇΩの高抵抗とオペアンプ（ユニティーゲイン周波数：５００ＭＨｚ）を用いたトランスインピーダンス回路を用いて電流（電荷）−電圧変換を行う。
【００６１】
この電位測定装置は、マイクロマシーニング技術を用いて、成膜やエッチング、メッキ等を行うことによって容易に形成できる。櫛歯電極２０４、２０５間に、共振周波数（１０ｋＨｚ前後）の交流の電圧を印加することにより、シールド部２０１は±１０μｍ程度移動する。この振動にともなって、検知電極１０１に接続された初段増幅部から、感光ドラム４０１の電位と対応する信号を出力することができる。
【００６２】
本実施例に係る画像形成装置における電位測定装置４０６は、高い振動周波数において、検知電極１０１の合計面積が大きい場合においても、信号を減衰無しに取り出すことができるため、高速且つ高出力（高精度）な信号出力を得ることができる。したがって、本実施例の画像形成装置は、感光ドラム４０１の電位分布を高速且つ正確に把握し、画像制御を行うことができるため、高画質な画像を形成できる。
【実施例２】
【００６３】
本実施例は、電位測定装置４０６に第４の実施形態の電位測定装置（図７、図８）を用いたことが実施例１と異なる。その他は、実施例１と同様である。
【００６４】
本実施例の電位測定装置４０６において、シールド３０１は鉄であり、１ｍｍ×１ｍｍの開口部３０２が形成されている。支持基板３０３はシリコンであり、検知電極１０１、配線３０５、パッド３０６は金で構成される。コイル基板３０７はシリコンであり、コイル３０８、パッド３０９は銅により構成されている。シリコン窒化膜である絶縁膜１０２（厚さ２００ｎｍ）上に配置される２枚の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂは、４００μｍ×９００μｍの大きさである。シールド３０１の開口部３０２の直下に配置される枠部材１０４は、１ｍｍ×１ｍｍの大きさである。この電位測定装置は、マイクロマシーニング技術を用いて、成膜やエッチング等を行うことにより容易に形成することができる。
【００６５】
コイル３０８に、枠部材１０４の共振周波数（３０ｋＨｚ）の交流電流を流すことによって、枠部材１０４はねじりばね３０４を中心に、機械的に±３度の揺動を行う。それにより、２枚の検知電極１０１Ａ、１０１Ｂにそれぞれ接続された初段増幅部（不図示）からのそれぞれの出力は、１８０度位相がズレた（正負極が反転した）波形となる。ここで、初段増幅部では、１００ＭｅｇΩの高抵抗とオペアンプ（ユニティーゲイン周波数：２ＧＨｚ）を用いたトランスインピーダンス回路を用いて電流（電荷）−電圧変換を行っている。
【００６６】
本実施例に係る画像形成装置における電位測定装置は、高速な差動信号出力を簡単な構成で容易に取り出すことができるため、ノイズ耐性に優れた信号出力を得られる。したがって、本実施例の画像形成装置は、ノイズの影響を大きく受けることなく、感光ドラムの電位分布を高速且つ正確に把握し、画像制御を行うことができるため、高画質な画像を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施の形態に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する模式図である。
【図２】変形例に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する断面図である。
【図３】他の変形例に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する断面図である。
【図４】本発明に係る電位測定装置の電流−電圧変換を行う初段増幅部の回路例について説明する図である
【図５】第３の実施の形態に係る電位測定装置を説明する模式図である。
【図６】第３の実施の形態に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する断面の模式図である。
【図７】第４の実施の形態に係る電位測定装置を説明する模式図である。
【図８】第４の実施の形態に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する模式図である。
【図９】本発明の電位測定装置を用いた画像形成装置の、感光ドラムの回転軸と垂直な平面上での配置を示した図である。
【図１０】検知電極−支持基板間に発生する寄生容量を説明する模式図である。
【図１１】非接触型電位測定装置の概念的な構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ  検知電極
１０２  絶縁膜（絶縁体）
１０４  絶縁膜を保持する部材（枠部材、支持部材）
１０４ａ  凹部（枠部材の空洞部）
２０１−２０５、３０８、３１０  容量変化手段
【図１】
2006003130.tif 000003
【図２】
2006003130.tif 000004
【図３】
2006003130.tif 000005
【図４】
2006003130.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006003130.tif 000008
【図７】
2006003130.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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