(57)【要約】【課題】磁力を用いる駆動機構による機械的運動で測定対象と検知電極間の結合容量を変調する電位測定装置において、磁場を原因とする雑音が、検知電極で発生する信号に与える影響を低減することである。【解決手段】電位測定装置は、誘起される電気量の変化によって測定対象２０１の電位を測定するための検知電極１０５、１０６と、磁力を用いる機械的運動により測定対象２０１と検知電極１０５、１０６間の結合容量を変調するための容量変調手段２３０、２０４と、この磁力に起因する磁場が検知電極１０５、１０６に届くのを防止ないし抑制するための防止・抑制手段２０２を有する。【選択図】図２
2006105940.tif 000002
【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位を測定するための検知電極と、磁力を用いる機械的運動により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と、前記磁力に起因する磁場が検知電極に届くのを防止ないし抑制するための防止・抑制手段を有することを特徴とする電位測定装置。
【請求項２】
一方の表面に前記検知電極を有し他方の面に前記容量変調手段を構成する磁力発生部を有する振動部材を備え、前記防止・抑制手段を構成する磁気シールド層が磁力発生部と振動部材の間に形成され、振動部材が、前記容量変調手段を構成する他の磁力発生部により振動部材の外部から与えられる磁場と振動部材に設けられた磁力発生部からの磁場との相互作用によって振動することで、検知電極で発生する電気信号が変調され、該電気信号が回路で処理される様に構成された請求項１記載の電位測定装置。
【請求項３】
前記振動部材がねじりバネを中心に揺動可能に軸支され、振動部材の表面に設置された少なくとも１つの検知電極の空間的な位置が前記容量変調手段により変化させられることで発生する電気信号を検出する請求項２記載の電位測定装置。
【請求項４】
前記振動部材が片持ち梁状振動部材であり、振動部材の表面に設置された少なくとも１つの検知電極の空間的な位置が前記容量変調手段により変化させられることで発生する電気信号を検出する請求項２記載の電位測定装置。
【請求項５】
前記振動部材に設けられた磁力発生部と前記他の磁力発生部の少なくとも一方が電磁石である請求項２乃至４のいずれかに記載の電位測定装置。
【請求項６】
前記防止・抑制手段は、前記容量変調手段と前記検知電極の間の位置に設けられた磁性体からなる磁気シールド部材である請求項１記載の電位測定装置。
【請求項７】
磁力を用いる機械的運動により、検知電極と測定対象間の結合容量を変調し、この変調による検知電極に誘起される電気量の変化によって測定対象の電位を測定する際に、前記磁力に起因する磁場が検知電極に届くのを防止ないし抑制するための防止・抑制手段を設けることを特徴とする電位測定方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいず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の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測定装置、及び複写機、プリンタ等に適用可能なその電位測定装置を有する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、感光ドラムを有し電子写真方式によって画像形成を行う画像形成装置においては、常に安定した画質を得るために、どのような環境下でも感光ドラムの電位を適当に（典型的には、均一に）帯電しておく必要がある。このため、感光ドラムの帯電電位を電位測定装置（電位センサー）を用いて測定し、その結果を利用して感光ドラムの電位を均一に保つ様にフィードバック制御を行っている。
【０００３】
従来の電位センサーとしては、非接触式電位センサーがあり、ここでは機械式交流電界誘導型と呼ばれる方式がしばしば用いられる。この方式では、測定対象の表面の電位は、電位センサーに内蔵される検知電極から取り出される電流iの大きさの関数であり、
i=dQ/dt=d/dt[CV]・・・（１）
という式で与えられる。ここで、Qは検知電極上に現れる電荷量、Cは検知電極と測定対象間の結合容量、Vは測定対象の表面の電位である。また、この容量Cは、
C=AS/x・・・（２）
という式で与えられる。ここで、Aは物質の誘電率などに係る比例定数、Sは検知電極面積、xは検知電極と測定対象間の距離である。
【０００４】
これらの関係を用いて、測定対象の表面の電位Vを測定するのであるが、検知電極上に現れる電荷量Qを正確に測定するには、検知電極と測定対象間の容量Cの大きさを周期的に変調するのがよいことが、これまでに分かっている。すなわち、検知電極上に現れる電荷量Qは非常に小さな値で、周囲に存在する雑音の影響を受けやすい。このため、微小なQを正確に測定するために、適当な手段で検知電極と測定対象間の結合容量Cの大きさを周期的に変調し、測定された信号から同じ周波数成分を検波することによって必要な信号を得るという同期検波方式がしばしば用いられるのである。
【０００５】
この容量Cの変調方法として、検知電極の位置を周期的に変える方法が知られている。この方法の代表的な例では、検知電極を板状の振動子の先端に配置し、板を電磁石で振動させることで検知電極と測定対象間の位置を周期的に変化させ、容量Cの変調を行っている（特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５，２１２，４５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような電位センサーにおいて、検知電極を振動させる駆動機構として電磁石はしばしば用いられる。しかし、電磁石によって発生する交流磁場による雑音が検知電極に影響を与え、精度の高い測定が難しくなることがある。そこで、上記特許文献１に示されるように電磁石は検知電極からできるだけ離れた位置に設けられたりする。
【０００７】
一方、近年、感光ドラムの小径化、ドラム周りの高密度化により、電位センサーも小型化、薄型化が求められている。しかしながら、前述の電位センサーにおいて、小型化のためには、電磁石と検知電極の位置をできるだけ近接させる必要があって、測定精度と小型化の両立がなかなか難しい状況にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、誘起される電気量の変化によって測定対象の電位を測定するための検知電極と、磁力を用いる機械的運動により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と、前記磁力に起因する磁場が検知電極に届くのを防止ないし抑制するための防止・抑制手段を有することを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の電位測定方法は、磁力を用いる機械的運動により、検知電極と測定対象間の結合容量を変調し、この変調による検知電極に誘起される電気量の変化によって測定対象の電位を測定する際に、前記磁力に起因する磁場が検知電極に届くのを防止ないし抑制するための防止・抑制手段を設けることを特徴とする。
【００１０】
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を備え、前記電位測定装置の検知電極の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。画像形成手段は、複写機能、印刷機能、或いはファクシミリ機能などを有し得る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明においては、磁力を用いる駆動機構による機械的運動で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を採用した電位測定装置において、こうした磁力に起因する磁場を原因とする雑音が、検知電極で発生する信号に与える影響を低減することが前記防止・抑制手段の存在により可能となるため、電位測定装置の性能の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。一実施形態では、前記容量変調手段は電磁石と永久磁石とで構成され、前記防止・抑制手段は磁性体からなる磁気シールド部材で構成される。そして、一方の表面に検知電極を有し他方の面に永久磁石を有する振動部材を備え、磁気シールド部材が永久磁石と振動部材の間に形成され、振動部材が、電磁石により振動部材の外部から与えられる磁場と振動部材に設けられた永久磁石の磁場との相互作用よって振動することで、測定対象の電位を測定するための検知電極で発生する電気信号が変調され、この電気信号が回路で演算処理される。
【００１３】
前記振動部材は、ねじりバネを中心に揺動可能に軸支される揺動体の形態や、片持ち梁状振動部材の形態をとり得る。上記永久磁石と電磁石の配置関係は逆転することができる。また、容量変調手段を、固定側と可動側に設けられる２つの電磁石で構成することもできる。
【実施例】
【００１４】
以下、図面を参照して、より具体的な本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
まず、本発明の実施例１を図１、図２、図３に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る電位測定装置の構成を示す。支持基板１００の中央部には開口部１０１が形成され、開口部１０１の中央中空部分には、２本のねじりバネ１０２と１０３により、平板状の揺動体１０４が支持されている。揺動体１０４は、ねじりバネ１０２と１０３の長軸方向の中心線を結んだ中心線A−A’に対し、線対称の構造を有する。揺動体１０４の一方の表面には、２個の平板状の検知電極１０５と１０６が同じく中心線A−A’に対して線対称に配置されている。電極１０５と１０６は、ねじりバネ１０３の上に形成された電極配線１０７と１０８によって、支持基板１００外部に設置された信号処理回路１０９に接続されている。
【００１５】
図１のB-B’断面図である図２は、図１で示した電位センサーを測定対象表面２０１に対して配置した状態を表している。測定対象表面２０１は、例えば、感光ドラムであり、図の左右方向に伸びる軸、或いは紙面垂直方向に伸びる軸の回りに回転する。揺動体１０４は、これと対向する測定対象表面２０１が実質的に平面的である場合には、中立の位置においてこれとほぼ平行になる様に配置されている。
【００１６】
揺動体１０４の、測定対象表面２０１と反対の側の面には、軟磁性体などの磁性体からなる磁気シールド層２０２が形成され、さらに磁気シールド層２０２の表面に、永久磁石２０３が設置されている。ここで、磁石２０３は、図２に示すごとく、揺動体１０４の回転中心軸と垂直な方向に磁化されている。
【００１７】
図２において、揺動体１０４の下方、すなわち測定対象表面２０１と反対の側の面の下方には、電磁石２０４が設置されている。この電磁石２０４に交流電流を流すことで交流磁場が発生し、この交流磁場と揺動体１０４に設置された磁石２０３の相互作用により、揺動体１０４をねじりバネ１０２と１０３の長軸の回りに揺動することができる。この揺動により、揺動体１０４の表面に設置された検知電極１０５と１０６と、測定対象面２０１の距離が逆位相で変化し、検知電極１０５と１０６と測定対象面２０１の結合容量が周期的に逆位相で変化するので、式（１）より測定対象物の電位を測定できる。この場合は、検知電極１０５と１０６からの電気信号を差動処理することになる。勿論、一方の検知電極からの電気信号に基づいて、式（１）より測定対象物の電位を測定することもできる。
【００１８】
次に、図３を用いて本実施例の磁気シールド層２０２の効果を説明する。図３の（１）は、磁気シールド層を設けない電位センサーの場合の模式図である。ここでは、簡単のために、磁石２０３は図示していない。この場合は、電磁石２０４のコイルから発生した磁力線３０１は、磁石２０３からの磁力線と相互作用しつつ、揺動体１０４及び検知電極１０５と１０６を突き抜けるように分布する。このとき、電磁石２０４のコイルから発生する磁場３０１は揺動体１０４を揺動させるために交流磁場であり、さらに揺動体１０４が磁場３０１の中を揺動することで検知電極１０５と１０６も磁場３０１の中を運動する。したがって、検知電極１０５と１０６には誘導電流が発生し、これは、電位を持つ測定対象面２０１との間の周期的に変化する結合容量により検知電極に発生する電気信号に対して、雑音となる。
【００１９】
一方、本実施例の場合を示す図３の（２）では、揺動体１０４の電磁石２０４側の表面に、磁気シールド層２０２が設けられている（ここでも、簡単のために、磁気シールド層２０２上の磁石２０３は図示していない）。典型的には軟磁性体で形成される磁気シールド層２０２は磁力線を内部に導く効果があるので、図３の（２）においては、磁力線３０２は、磁気シールド層２０２上に設けられた磁石２０３からの磁力線と相互作用はするが、磁気シールド層２０３の内部を通過して、図中の左右に導かれて逃がされる。この結果、図３の（１）の場合と比較すると、検知電極１０５と１０６を突き抜ける磁力線の数を減らすことができ、検知電極の検出信号に対して、雑音となる誘導電流の発生量を減少させられる。
【００２０】
したがって、高性能な電位センサーの実現が可能となる。さらに、従来よりも電磁石と検知電極の間の距離を小さくすることができ、センサー内の部品の配置の自由度が高まり、電位センサーの小型化が可能となる。こうして、電磁石を駆動装置として用いる電位センサーの小型化、高感度化、高信頼性化が可能となる。
【００２１】
（実施例２）
次に図４および図５で、第２の実施例を説明する。本実施例では、図４に示すように、基板４００上に、支持部材４０１で支持された片持ち梁状振動部材４０２が備えられ、振動部材４０２上には、その上面に検知電極４０３が設けられていると共に、その下部すなわちコイル状電磁石４０４側の面に、磁気シールド層４０５と永久磁石４０６が設けられている。また、磁気シールド層４０５と永久磁石４０６の下方部にコイル状電磁石４０４が設けられている。
【００２２】
本実施例においても、コイル状電磁石４０４で発生する交流磁場が、振動部材４０２に装着されている磁石４０６と相互作用して、片持ち梁式の態様で振動部材４０２は上下に振動させられる。こうして、測定対象４０７と検知電極４０３間の距離が変調させられる。ここでは、磁石４０６は図４の上下方向に磁化されていて、その下面には同じ磁極が現れている。また、検知電極４０３は１つでも、複数でもよいが、複数の場合でも、測定対象４０７との結合容量が周期的に同相で変化するので、式（１）より測定対象物４０７の電位を１つの検知電極の場合と同じ方法で測定することになる。
【００２３】
本実施例でも、磁気シールド層４０５が、電磁石４０４から発生する磁力線４０８を内部に導いて、図４中の左右に逃がす作用をするので、検知電極４０３を貫通する磁力線４０８の量が減少させられる。したがって、磁力線４０８によって検知電極４０３に発生する雑音を減少させることができる。
【００２４】
図５は、実施例２で説明した電位センサーの上方斜視図である。このような形状の電位センサーは、従来から存在するが、検知電極部を振動させるための駆動の方法には、圧電素子がしばしば使用される。しかし、一般的に圧電素子は高価である。一方、コイル状電磁石は非常に安価であるが、発生する磁場に起因する雑音の影響により、検知電極４０３のそばにコイルを設置することができず、片持ち梁状振動部材４０２を効率的に振動させることは困難であった。本実施例では、こうした問題点が解決されている。
【００２５】
図６は、こうしたコイル型の磁石６０４を用いた従来技術による電位センサーの概念図である。基板６００上には、部材６０１で支持された釣り合い梁状振動部材６０２が設けられている。そして、その一端部の上面には検知電極６０３が設けられ、また、基板６００上で、支持部材６０１を挟んで検知電極６０３の側と反対側の箇所にコイル状電磁石６０４が設けられ、さらに電磁石６０４の上方で梁状振動部材６０２の他端部の下面に、磁石６０５が設けられている。
【００２６】
ここでは、コイル状電磁石６０４で発生する交流磁場が、振動部材６０２に装着されている磁石６０５と相互作用して、振動の中心部６０６を中心として、振動部材６０２は天秤式に上下に振動し測定対象６０７と検知電極６０３の間の距離を変調する。
【００２７】
この従来技術に基づく例では、電磁石６０４から発生する交流磁場が検知電極６０３に影響を与えないようにするために、電磁石６０４の配置は、検知電極６０３からできるだけ離れた位置にセットされている。したがって、従来技術に基づく図６の例を図４で示した本発明の実施例２と比較して明らに分かるように、本発明の技術を使うことで、雑音の影響を低減させながらコイル状電磁石を検知電極の直下に配置することが可能となる。こうして、本発明による電位測定装置は、性能を維持しつつ小型化が可能となる。
【００２８】
ところで、本発明は、磁力を用いる駆動手段により開口部を有するシャッター構造（容量変調手段を構成する）を検知電極の直上で平行に振動させ、これにより測定対象に対する検知電極の実効的な露出面積を周期的に変化させて測定対象の電位を測定する電位測定装置にも適用できる。この場合にも、磁力を用いる駆動手段と検知電極の間の適当な位置に磁気シールド部材を設けて、磁力を用いる駆動手段から検知電極に届く磁場を防止ないし抑制することができる。この様に、本発明は、誘起される電気量の変化によって測定対象の電位を測定するための検知電極、及び磁力を用いる機械的運動により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を備える如何なるタイプの電位測定装置にも適用できて、磁力に起因する磁場が検知電極に届くのを防止ないし抑制するための防止・抑制手段を設けてこの磁場が検知電極に与える悪影響を防止ないし抑制している。
【００２９】
（実施例３）
図７は実施例３の画像形成装置を説明する図である。図７は、本発明による電位測定装置を用いた電子写真現像装置の感光ドラム周辺の模式図である。感光ドラム２１０８の周辺に、帯電器２１０２、電位測定装置２１０１、露光機２１０５、トナー供給機２１０６が設置されている。帯電器２１０２で、ドラム２１０８の表面を帯電し、露光機２１０５を用いて感光ドラム２１０８表面を露光することで潜像が得られる。この潜像にトナー供給機２１０６によりトナーを付着させ、トナー像を得る。そして、このトナー像を転写物送りローラー２１０７と感光ドラム２１０８で挟まれた転写物２１０９に転写し、転写物上のトナーを固着させる。これらの工程を経て画像形成が達成される。
【００３０】
この構成において、ドラム２１０８の帯電状態を本発明の小型で高性能の電位測定装置２１０１で測定し、信号処理装置２１０３で信号を処理し、例えば、高電圧発生器２１０４にフィードバックをかけて帯電器２１０２を制御することで、安定したドラム帯電が実現され、安定した画像形成が実現される。この際、感光ドラム２１０８の回転に同期して電位測定装置２１０１の出力をモニタすることで、感光ドラム上の電位分布を計測でき、この計測された電位分布に基づき、感光ドラム２１０８に露光する光の量を制御するか、帯電器２１０２を制御することで、画像のムラを少なくできる。
【００３１】
また、本発明の電位測定装置は、複数の機器(たとえば、ホストコンピューター、インターフェース機器、リーダ、プリンタなど)から構成されるシステムに適用しても、１つの機器（例えば、複写機、ファクシミリ装置）からなる装置に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例の電位測定装置と測定対象との位置関係、及び検知電極と磁気シールド層と磁石との配置関係を示す断面図である。
【図３】磁力線の分布を示して、本発明の第１の実施例において磁気シールド層を導入した効果を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施例の電位測定装置の構造、及びそれと測定対象との位置関係を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例の電位測定装置の概観上面図である。
【図６】第２の実施例と比較するために従来の技術を用いた電位測定装置を示した断面図である。
【図７】本発明の電位測定装置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。
【符号の説明】
【００３３】
１０４、４０２・・・振動部材（揺動体、片持ち梁状振動部材）
１０５、１０６、４０３・・・検知電極
２０１、４０７、２１０８・・・電位測定対象（感光ドラム）
２０２、４０５・・・防止・抑制手段（磁気シールド層）
２０３、２０４、４０４、４０６・・・容量変調手段（磁石、コイル状電磁石）
３０１、３０２、４０８・・・磁力線
２１０１・・・電位測定装置
【図１】
2006105940.tif 000003
【図２】
2006105940.tif 000004
【図３】
2006105940.tif 000005
【図４】
2006105940.tif 000006
【図５】
2006105940.tif 000007
【図６】
2006105940.tif 000008
【図７】
2006105940.tif 000009