(57)【要約】【課題】電位センサにおいて、静電力に起因する電場が検知電極に届くのを防止ないし抑制して、検知電極からの出力信号に駆動ノイズが混ざるのを防止ないし抑制することである。【解決手段】電位センサは、誘起される電気量の変化によって測定対象の電圧を測定するための検知電極102と、静電力を用いて測定対象と検知電極102間の結合容量を変調する容量変調手段103−107と、静電力に起因する電場が検知電極102に届くのを電気的にシールドするための手段108を有する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘起される電気量の変化によって測定対象の電圧を測定するための検知電極と、静電力を用いて測定対象と前記検知電極間の結合容量を変調するための容量変調手段と、前記静電力に起因する電場が前記検知電極に届くのを電気的にシールドするための手段を有することを特徴とする電位センサ。
【請求項２】
前記容量変調手段は、測定対象に対して検知電極が露出される第1の位置と、測定対象に対して検知電極の少なくとも一部がカバーされる第2の位置との間で移動可能なシャッタと、静電力を動力として用いて該シャッタを第1の位置と第2の位置との間で移動させるシャッタドライバとを有する請求項１記載の電位センサ。
【請求項３】
前記検知電極は可動体上に設けられ、前記容量変調手段は、静電力を動力として前記可動体を測定対象に対して移動させて検知電極と測定対象との距離を変調する請求項１記載の電位センサ。
【請求項４】
前記電気的にシールドするための手段は、前記容量変調手段の静電力を発生する部分の少なくとも一部を前記検知電極に対して取り囲むように配された電気シールド部材である請求項１乃至３のいずれかに記載の電位センサ。
【請求項５】
前記検知電極と前記シャッタとが、複数組配列されてなる請求項２記載の電位センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の電位センサと、前記電位センサより得られる出力信号を処理する信号処理装置と、画像形成手段を備え、電位センサ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、画像形成手段が信号処理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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知電極に誘導される電気量によって、測定対象の電位を測定する非接触型の電位センサ、該電位センサを備える画像形成装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検物−検知電極間に配されたシャッタを駆動させることで、検知電極に誘起される電気量を変化させ、該電気量の変化から被検物の電位を測定する技術が存在する（非特許文献1参照）。この場合、シャッタを真空中で駆動させることで、低電圧駆動を可能にして、この低電圧駆動により、駆動ノイズを低減している。
【０００３】
また、他の従来技術として、シャッタと検知電極が複数組配列されている構造において、被検物−検知電極間に配されたシャッタを駆動させることで、検知電極に誘起される電気量を変化させ、該電気量の変化から被検物の電位を測定する技術が提案されている（特許文献1参照）。
【非特許文献１】Solid-State Sensors and Actuators(The 7th International Conference) P.878-881
【特許文献１】特開2000-147035号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術においては、静電引力などの静電力を用いてシャッタを駆動する場合、シャッタドライバ（以下、ドライバともいう）で電場が発生し、該電場が検知電極に届くと、電場に起因するノイズ（以下、駆動ノイズともいう）が、検知電極からの出力信号に混じる。該ノイズは、正確なセンシングを妨げたり、センサの感度を低下させたりする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑み、本発明の電位センサは、誘起される電気量の変化によって測定対象の電圧を測定するための検知電極と、静電力を用いて測定対象と前記検知電極間の結合容量を変調するための容量変調手段と、前記静電力に起因する電場が前記検知電極に届くのを電気的にシールドするための手段を有することを特徴とする。この構成において、容量変化手段としては、静電力を用いて上記結合容量を変調するものであればどの様なものでもよく、静電力を用いる機械的な振動を利用して測定対象に対する検知電極の実効的な露出面積あるいは測定対象と検知電極間の距離を変調する構造のものの他に、静電力を用いて測定対象表面と検知電極との間の誘電体の誘電率を周期的に変化させる構成のものなどもある。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、容量変調手段における静電力に起因する電気力線（電場）が検知電極に届くのを防止ないし抑制できるので、検知電極からの出力信号に駆動ノイズが混ざるのを防止ないし抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
図1は、本発明の電位センサの一実施形態を示す図である。図1（1）は、平面図である図1（2）の一点鎖線での断面図である。図1（3）は、図1（2）の構成から電気シールド108を除いた構成を示す図である。
【０００８】
本実施形態の電位センサは、基板101、基板101上に形成された検知電極102、一端に移動電極106を備え他端のシャッタ部103aで検知電極102を可変的に蔽って電位測定対象から検知電極102に到達する電気力線の量を変化させるための往復運動をするシャッタ部材103、シャッタ部材103の中間部に設けられてその往復運動を許容するように可撓性を持つ梁104、梁104の両外端部に設けられて基板101に固定されシャッタ部材103の往復運動を安定的に行わせるためのアンカー105、シャッタ部材103の移動電極106に作用してこれを静電引力で移動させるための固定電極107、固定電極107と移動電極106の周りを適当に蔽って電気力線の漏れを防止ないし低減するための電気シールド108を有する。ここでは、電気シールド108は、移動電極106、固定電極107の周りを取り囲むように配されている。図１の場合、電気シールド108は移動電極106、固定電極107の周りの上下、左右、前後の6方向の内、5方向を取り囲むように配されている(図７(１)参照)。この場合、基板101に導電性の材料を用いたり、基板101上に導電性の材料を形成するなどして、移動電極106、固定電極107周りのほぼ全てを電気シールドで取り囲むことが可能である。
【０００９】
本発明の電位センサの一典型例は、大別して検知電極、シャッタ、ドライバ、電気シールドを有するが、該ドライバは、本実施形態では、上記アンカー105、梁104、移動電極106、これらとシャッタ部103aを繋ぐ部材、及び固定電極107からなり、シャッタはシャッタ部材103のシャッタ部103aからなる。
【００１０】
シャッタ部材103の往復運動に際しては、移動電極106と固定電極107間に静電引力を発生させて、シャッタ部材103を移動方向109に動かす。このとき、静電引力を増減させることで、移動量を制御できる。
【００１１】
上記構成において、電気シールド108は、固定電極107と移動電極106の周りを囲むように配しているが、梁104の部分まで電気シールドで囲っても構わない。また、図2に示すように、シャッタ部材103の中間部を跨いで基板101に固定された壁状の電気シールド1001を用いることもできる。この場合、ドライバの駆動電圧等に応じて電気シールド1001の高さや幅を設計する。
【００１２】
電気シールド108の働きについて図3を用いて説明する。
図3は、移動電極106、固定電極107、検知電極102間の電場を電気力線で模式的にあわらしたものである。Ｖ201〜Ｖ204は、夫々の部位の電位であり、次の通りである。
Ｖ201：GND電位（0Ｖ）と相対的な検知電極102の電位、
Ｖ202：GND電位と相対的なシャッタ部材103の電位、
Ｖ203：GND電位と相対的な固定電極107の電位、
Ｖ204：GND電位と相対的な電気シールド108の電位である。
【００１３】
図3では、各電位の関係は、｜Ｖ203｜＞｜Ｖ202、Ｖ201｜である（すなわち、固定電極107の電位は、検知電極102及びシャッタ部材103の電位と差がある）。したがって、電気シールド108を欠く図3（1）では、固定電極107と駆動電極106間に電気力線202が生じていて（これが駆動力となる）、固定電極107と検知電極102間に電気力線201が生じている。このとき、電気力線201は駆動ノイズとなる。
【００１４】
図3（2）は、図3（1）の構成に電気シールド108を設置した本実施形態の構成であり、電気シールド108により固定電極107と検知電極102間の電気力線を遮断ないし低減できる。この場合、好適にはＶ201＝Ｖ204であると良い。なぜなら、Ｖ201≠Ｖ204の場合、電気シールド108と検知電極102間でコンデンサが形成され、そして、これらの間にあるシャッタ部材103の位置が変わると該コンデンサの電気量が変化、即ちノイズが発生するからである。
【００１５】
また、この場合、好適にはＶ201＝Ｖ202である。なぜなら、Ｖ201≠Ｖ202の場合、シャッタ部材103と検知電極102間でコンデンサができ、シャッタ部材103の位置が変わると該コンデンサの電気量が変化、即ちノイズが発生するからである。
【００１６】
基板101の材料、若しくは基板101の表面を覆う材料（図示はしていない）は、導電性であって、基板（若しくは基板の表面を覆う材料）、ドライバ、検知電極の夫々が電気的に絶縁されていることが望ましい。更には、基板（若しくは基板の表面を覆う材料）の電位はＶ201であることが望ましい。これにより、移動電極、固定電極を取り囲むほぼ全ての面を電気的にシールドすることが可能となり、移動電極、固定電極間で発生する電気力線が検知電極に届くことを防止できる。即ち、ノイズを防止できる。
【００１７】
図4を用いて、被検物301の電位Ｖ301の測定原理を説明する。図4（1）は、検知電極102が露出されるシャッタ部103
aの第1の位置を示し、図4（2）は、検知電極102の少なくとも一部がカバーされるシャッタ部103 aの第2の位置を示す。ここにおいて、Ｖ302、Ｖ303は、検知電極102の電位であり、そして、
Ｖ301：GND電位と相対的な被検物301の電位、
Ｖ302：上記第1の位置におけるGND電位と相対的な検知電極102の電位、
Ｖ303：上記第2の位置におけるGND電位と相対的な検知電極102の電位である。
【００１８】
ここにおいて、Ｖ301≠Ｖ302、Ｖ303であって、シャッタ部103aが移動（検知電極102が露出される第1の位置と、検知電極102の少なくとも一部がカバーされる第2の位置との間で移動）すると、被検物301と検知電極102間の電気力線302が図4（1）、（2）のごとく変化する。電気力線302が変化すると、検知電極102に誘起される電気量が変化する。
【００１９】
検知電極102が露出される第1の位置（検知電極102に最も多く電気力線が入射する）での電気量がＱ1、検知電極102の少なくとも一部がカバーされる第2の位置（検知電極102に最も少なく電気力線が入射する）での電気量がＱ2の場合、センシングの諸条件が変わらないとき、ΔＱ＝Ｑ1−Ｑ2で定義されるΔＱは被検物301の電圧によって決まる値となる。
【００２０】
シャッタ部103aが正弦波形に従って往復移動する場合、Ｖ301は、下記の式で求めることができる。
Ｖ301＝Ｉ(t)・Ｒ
ここにおいて、Ｉ(t)＝dＱ(t)/dtであって、Ｑ(t)＝ΔＱ/2・sin(2πft)、dＱ(t)/dt＝2πf・ΔＱ/2・cos(2πft)、ｆ＝シャッタ部103aの駆動周波数、Ｒ＝電流−電圧変換の項（抵抗）（図4に示すＲと同じ）である。したがって、ΔＱが大きい程、Ｖ301である出力電圧は大きくなる。出力電圧が大きくなる程、センサ感度は高くなる。また、相対的にノイズを小さくできる。このＶ301を信号処理装置で検出するのである。
【００２１】
本実施形態においては、上記電気シールドを備えるので、真空パッケージすることなく、また電位センサ寸法を大きくすることなく、駆動ノイズを除去ないし低下できる。
【００２２】
詳述すると以下のようになる。
駆動ノイズを低減する手段としては、次のものを挙げることができる。
（1）駆動電圧を低くする方法。この方法には、電位センサを真空パッケージして空気抵抗をなくし、シャッタ駆動用の駆動電圧を低くする方法や、シャッタとしての梁を長くするなどして、梁が容易に撓むように設計し、シャッタ駆動用の駆動電圧を低くする方法がある。また、（2）ドライバを検知電極から遠ざける方法もある。
【００２３】
しかし、夫々に課題がある。まず、（1）の方法では、電位センサを真空パッケージする必要がある。この場合、高度なパッケージング技術と、高価な真空装置等を必要とする。また、素子の真空を保つことが困難である。さらに、（1）の方法では、電位センサ寸法を大きくしてしまう。これにより、共振を利用してシャッタを駆動する場合、共振周波数の低下を招き、出力を低下させてしまう。次に、（2）の方法では、電位センサ寸法を大きくしてしまう。
【００２４】
また、本実施形態においては、特に、電気シールドを図1に示すごとくドライバを包囲して設ける場合、ドライバへの粒子の付着による駆動特性の変化、短絡を防止できる。すなわち、ドライバには電場が発生する。したがって、該電場の近傍にトナー、ゴミ等の帯電粒子が存在すると、該粒子がドライバに引き寄せられ、付着する。この付着粒子は、シャッタの駆動特性を変化させ、場合によっては、ドライバの短絡を引き起こす。また、帯電粒子以外の粒子であってもドライバに付着し、こうした問題を生じさせることがある。
【００２５】
さらに、本実施形態では、半導体プロセスを応用して作製できるため（後記実施例参照）、μサイズのシャッタよりなる電位センサを大量、低コストに提供できる。
【００２６】
図5は、本発明の電位センサの他の実施形態を示す図である（ただし、図1あるいは図2のように設けられる電気シールドは省略してある）。この実施形態では、移動電極、固定電極夫々に櫛歯電極401を設けている。このことで、櫛歯電極401が無い場合と比べて、シャッタ部材103の変位量を大きくできる。また、発生力を大きくできる。
【００２７】
櫛歯電極が無い場合、櫛歯電極がある場合に比べて、より小さい変位量のうちに、移動電極106が固定電極107にプルインされてしまうこと起こり得る。“プルイン”とは、移動電極が固定電極に引き込まれてしまうことで、場合によっては移動電極と固定電極が接触する。駆動電圧等の条件によっては、放電を伴う。そして、放電に伴い、電位センサが壊れてしまうことがある。本実施形態では、これを防止できる。その他の点は第1の実施形態と同じである。
【００２８】
図6は、本発明の電位センサのさらに他の実施形態を示す図である（ただし、図1あるいは図2のように設けられる電気シールドは省略してある）。ここでは、シャッタ部材103の中間部とアンカー502を繋ぐ梁を折れ曲がり梁501にすることで、梁作製時、駆動時に発生する応力を低減することが可能となる。したがって、耐久性を向上できる。また、同じ長さでも梁を折り曲げて使うので比較的小さくでき、電位センサの寸法を小さくできる。その他の点は第1の実施形態と同じである。
【００２９】
図7（1）は、上記第1の実施形態を詳しく説明する図であって、基板に平行な電気シールドの一面を取り去った図である。図７（１）を見て分かるように、移動電極、固定電極の周りの4方向が電気シールドで取り囲まれている。
【００３０】
図7（2）は、本発明の電位センサのさらに他の実施形態を示す図である。図7（2）の構成（図7（2）の一点鎖線断面は、図7（3）に示す）では、静電引力発生部（固定電極107と移動電極106の部分）から検知電極102の方向を見て、電気シールド602の壁が重なった構成となっている。図7（2）の構成により、ほぼ完全に電気力線を電気シールド602内に閉じ込めることができる。その他の点は第1の実施形態と同じである。
【００３１】
図8は、本発明の電位センサのさらに他の実施形態を示す図である（ただし、図1あるいは図2のように設けられる電気シールドは省略してある）。図8のようにシャッタ部材703のシャッタ部703a、検知電極102を複数配置することで、その組み合わせ数に比例して大きな出力信号を検知電極102から得ることができる。これにより、相対的に各種ノイズを低減できる。
【００３２】
第1の実施形態のところでも触れたが、上記の各構成において、基板101が導電性の場合、基板101を電気シールドと同じ電位とすることで、基板101側から検知電極102に電気力線が回りこむのを防止できる。基板101が絶縁性である場合、移動電極106、静電引力発生部等の下方の基板面に導電性の膜を形成し、電気シールドと繋いでおくことで、検知電極102に電気力線が回りこむのを防止できる。
【００３３】
図9は、本発明の電位センサのさらに他の実施形態を示す図である（ただし、図9（1）と（2）は電気シールド1108を省いた構成を示す）。図9（2）は図9（1）のA−A線での断面図である。この実施形態では、揺動体支持部1100から梁1103が伸びて平板状の揺動体1101が形成され、更にそこからシャフト部が伸びて櫛歯状移動電極1106が形成されている。櫛歯状移動電極1106に対しては、櫛歯状固定電極1107が設けられており、図9（2）の矢印で示すように、両電極間の交流的な静電力による相互作用で、梁1103とシャフト部で規定されるねじり中心軸の回りで揺動体1101は揺動させられる。
【００３４】
また、揺動体1102の一方の表面には、2個の平板状の検知電極1102がねじり中心軸に対して線対称に配置されている。検知電極1102は、梁1103と揺動体支持部1100の上に形成された電極配線1104と取り出し電極1105を介して、外部に設置された信号処理回路（不図示）に接続されている。
【００３５】
上記構成において、上記揺動体1101の揺動により、揺動体表面に設置された2つの検知電極1102と測定対象面の距離が逆位相で変化し、検知電極1102と測定対象面の結合容量が逆位相で周期的に変化する。よって、両検知電極1102からの出力信号を上記信号処理回路で差動処理することで測定対象物の電位を測定できる。この場合、検知電極は必ずしも2個形成する必要はなく、1個であっても電位センサとしての機能を有する。
【００３６】
動作原理は以上のようであるが、このとき、図9（1）の構成では静電引力発生部から検知電極102に電気力線が届いて駆動ノイズとなる。したがって、本実施形態では、図9（2）のように、シャフト部のところを除いて静電シールド1108で静電引力発生部と検知電極102の間の空間を遮蔽することで、検知電極102への電気力線の回りこみを防止ないし抑制して駆動ノイズを低減している。
【００３７】
図10は、本発明の電位センサ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、電位センサ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、ドラム808、被転写物809の構成よりなる。
【００３８】
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。この場合、ドラム808の帯電状態を電位センサ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する。
【００３９】
また、本発明の電位センサを備える画像形成装置では、図1に示すような電気シールドの存在により、装置内の帯電粒子が電位センサ801の性能を低下させることがない。よって、正確なドラムの帯電情報（電位センサ801より得られる出力）に基づき高品質な画像を出力できる。
【実施例】
【００４０】
以下に、より具体的な実施例を図11を用いて説明する。本実施例は、本発明の電位センサの製造方法の一具体例に係わる。図11の各図は、図7（2）の一点鎖線断面に相当する。
【００４１】
この製造方法では、まず、図11（1）に示すように、SiO2よりなる基板901上にシャッタ駆動用電極、検知電極、これらを処理装置と接続する配線等をAuで形成する（図示せず）。この工程において、検知電極とシャッタとの間にギャップをもたせるための犠牲層902をCuで形成する。そして、樹脂をパターニングして隔壁903を形成し、メッキ法を用いて、金属メッキ物904を得る。
【００４２】
次に、図11（2）に示すように、さらに樹脂をパターニングして金属メッキを行なう。そして、図11（3）に示すように、樹脂903を除去する。こうして、電気シールドの側壁905、固定電極906、移動電極907、シャッタ908が得られる。さらに、図11（4）に示すように、電気シールド蓋909をかぶせる。
【００４３】
上記工程を経て、電気シールドを有する電位センサを作製できる。この場合、電気シールド蓋909は、図11（2）における金属メッキを延長して、メッキを連結することで形成することが可能である。この場合、金属メッキとしては、Ni電気メッキ、Ni無電解メッキ等を用いることが可能である。また、メッキは、金属メッキに限るものではなく、半導体、絶縁体であっても構わない。絶縁体を用いる場合、導電性が必要な個所に導電膜を形成する。この場合、電気シールド蓋には金属片を用いても構わない。
【００４４】
Siでも同様の形状を作製可能である。例えば、PVD法、CVD法、CMP法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等を用いアモルファスSi、ポリSi、単結晶Si製の電位センサが作製可能である。この場合、CVD法等の気相成長法以外の方法としては、Si基板をDeepRIEし、構造体を得る方法がある。電気シールドの側壁905と固定電極906のように、高さの異なるエッチング形状は、多段エッチングマスク（例えば複数層のマスク層を形成し、所望の深さエッチングした後、別のマスクで追加エッチングを行うこと）を用いて形成可能である。
【００４５】
電気シールドは、シャッタ部などを作製するときに同時に作製しても構わないが、シャッタ部等を作り終えた後、例えば金属片を加工したものを固定電極、移動電極部に被せるようにしてもよい。
【００４６】
本実施例で作製される電位センサでも、固定電極、移動電極が電気シールドで囲われているので、静電引力に起因する電場が電気シールドの外にほぼ漏れることがない。よって、駆動ノイズをほぼ除去できる。さらに、電位センサ近傍に存在するトナーや、ゴミ等の粒子が固定電極、移動電極に引き寄せられることがない。よって、該トナー、ゴミ等による動作不良を起こすことが無い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の電位センサの一実施形態を説明する図である。
【図２】本発明の電位センサの変形実施形態を説明する図である。
【図３】移動電極、固定電極、検知電極間の電気力線の様子を示す図である。
【図４】被検物301の電位Ｖ301の測定原理を示す図である。
【図５】静電引力発生部の構成に特徴がある本発明の電位センサの他の実施形態を説明する図である。
【図６】梁の構成に特徴がある本発明の電位センサの他の実施形態を説明する図である。
【図７】電気シールドの構成に特徴がある本発明の電位センサのさらに他の実施形態を説明する図である。
【図８】シャッタ部と検知電極の構成に特徴がある本発明の電位センサのさらに他の実施形態を説明する図である。
【図９】検知電極を支持する揺動体を有する本発明の電位センサのさらに他の実施形態を説明する図である。
【図１０】本発明の電位センサが組み込まれた画像形成装置の一例の模式的な構成図である。
【図１１】本発明の電位センサの製法の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
102、1102    検知電極
103−107、401、501、502、703、906−908、1101、1103、1106、1107    静電力を用いて測定対象と検知電極間の結合容量を変調するための容量変調手段
108、601、602、905、909、1001、1108    静電力に起因する電場が検知電極に届くのを電気的にシールドするための手段（電気シールド）
電位センサ201、202、302    電気力線（電場）
301、808    被検物（測定対象）
801    電位センサ
【図１】
2006003131.tif 000003
【図２】
2006003131.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006003131.tif 000008
【図７】
2006003131.tif 000009
【図８】
2006003131.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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