(57)【要約】【課題】  絶縁ワークと放電プローブ間距離を高精度に制御することで、絶縁ワーク上で放電を起こし、その放電電流と放電ギャップを同期して測定できる装置の提供。【解決手段】  絶縁ワークの表面を帯電させる手段、該ワークとプローブの空隙距離を変化させる手段、該ワークと該プローブとの間の空隙距離を測定する手段及び該空隙距離を測定する手段による空隙距離の測定と同期を取りつつ該ワークと該プローブとの間の放電電流を測定する手段を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ワ−クの放電特性を評価するための装置であって、
絶縁ワークの表面を帯電させる手段、
該ワークとプローブの空隙距離を変化させる手段、
該ワークと該プローブとの間の空隙距離を測定する手段、及び
該空隙距離を測定する手段による空隙距離の測定と同期を取りつつ該ワークと該プローブとの間の放電電流を測定する手段を有することを特徴とする放電特性評価装置。
【請求項２】
前記プローブが、先端が球面形状を有している請求項１に記載の放電特性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電ギャップ、及び放電電流を測定する装置、更には放電現象に関連した測定を行う装置に関する。ここで放電とは空気の絶縁破壊により電気が流れることを意味し、以下特別なことわりがない限り、放電とは上記の意味として用いている。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子写真プロセスを利用した画像形成装置において、感光ドラムと帯電ローラとを当接させた状態で該帯電ローラに直流電圧を印加して感光ドラムを帯電させる接触帯電が採用されている。接触帯電においては、図１に示すように帯電ローラ１と感光ドラム２が回転方向３に回転するに連れて、感光ドラム２の表面と帯電ローラ１の表面との距離が徐々に近づいていき、放電領域４に突入した時点で放電が開始する。放電開始の現象に関して、パッシェンの法則が気体の放電開始(火花放電)の基礎として取り扱われ、非特許文献１に記載されているような研究がなされてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】見山 雅英、生沢 宏彰、末広 純也：超伝導科学研究センター報告 通号４（1997）p.169「パッシェンミニマムの左側におけるヘリウムガスの短ギャップ絶縁破壊特性」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記非特許文献１に係る火花放電は電圧を制御した金属間で起こる放電であるため、その移動電荷量は大きい。これに対して、電子写真の帯電プロセスにおける、絶縁体である被帯電体の表面と帯電部材の表面との距離が近づくことで開始する放電は移動電荷量が小さい。なお、ここでの絶縁体とは少なくとも１０１０Ω・cm以上の体積抵抗値を持つものを言う。つまり、電子写真プロセスにおける放電を解析するためには、印加電圧を変えることなく、非金属間の微小ギャップをミクロン単位の精度で制御した放電を解析する必要があった。また一般的な電子写真では、帯電工程により被帯電体を±５００Ｖ程度に帯電しているが、被帯電体上での数Ｖの電位の違いが画像に影響を与えてしまう。つまり１％程度の電位の違いが画像に影響してしまう。画像に影響する因子として、例えば、被帯電部材や帯電部材の材料差等が考えられる。これは、一般的にパッシェンの法則とは、空気中に存在する電子が加速され空気中の分子を電離するα効果、及びα効果により発生したイオンが電極に衝突した時に電子を放出するγ効果により説明される。α効果は、空気中の分子によって決まるが、γ効果は電極材の種類によって変化する。つまり、電子写真の帯電プロセス上の放電における電極、つまり被帯電体や帯電部材などの材料によって、画像に影響を及ぼし得る１％程度の放電の変化があってもおかしくない。しかしながら、上記のような電子写真の帯電プロセスでの放電と同様の放電ギャップを管理して起こされる絶縁面に対する放電の(画像に影響するような)１％程度の変化を確認できるような高分解能の装置がなかった。本発明は以上の問題を鑑み、絶縁ワークと放電プローブ間距離を高精度に制御することで、絶縁ワーク上で放電を起こし、その放電電流と放電ギャップを同期して測定できる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る放電特性評価装置は、絶縁ワ−クの放電特性を評価するための装置であって、絶縁ワークの表面を帯電させる手段、該ワークとプローブの空隙距離を変化させる手段、該ワークと該プローブとの間の空隙距離を測定する手段、及び該空隙距離を測定する手段による空隙距離の測定と同期を取りつつ該ワークと該プローブとの間の放電電流を測定する手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
以上説明したように、本発明によれば、微小ギャップを精度よく制御することができ、電子写真プロセスにおける放電と同様のギャップ変化による絶縁物の放電を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一般的な電子写真装置の帯電工程を説明する図である。
【図２】本発明実施例による放電特性評価装置を示す図である。
【図３】実施例１の放電特性評価装置の説明図である。
【図４】本発明の実施例1に使用したワーク保持部材の構成部品図である。
【図５】本発明の実施例2及び3に使用したワーク保持台の構成部品図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の放電特性装置として、例えば図２に示すような装置を、例示することができる。絶縁ワーク５を保持する絶縁ワーク保持部材６と、絶縁ワーク５の表面を所望の電位に帯電する帯電器７、該ワーク５と放電プローブ８の空隙距離を変化させる手段および該ワーク５と該放電プローブ８の空隙距離の測定手段を有する。また、該空隙距離測定と同期を取りつつ放電電流を測定する手段を有している。更に、絶縁ワーク５を保持できる機構を持つドラム形状の絶縁ワーク保持部材６が回転できることで、絶縁ワーク５の放電プローブ８への対向及び帯電器７による絶縁ワーク５の表面の帯電が可能になっている。
【０００９】
[絶縁ワーク保持部材]
絶縁ワーク保持部材６は電気的にグランドを取ることができるものである。また寸法精度の点から、金属製であることが好ましい。なお、必ずしも図２に示すように円筒（ドラム）形状である必要はない。絶縁ワーク５が保持される部分が、放電プローブ８に対向でき、帯電器７により絶縁ワーク５の表面が帯電できる機構を持っていれば、いかなる形状でも構わない。しかしながら、上記に記したように、放電点を特定し、２箇所以上で放電が起きないようにするためには、曲率を持った形状、つまりドラム形状が好ましい。同様の理由から、放電プローブ８も、絶縁ワーク５に対向する面が、球面形状を持っていることが好ましい。また、放電電流測定方法としては、周波数帯域の大きなプローブを放電プローブ８に当接させ、帯電した絶縁ワーク５から放電プローブ８に流れ込む放電電流を、広帯域のオシロスコープ９で観察することができる。しかしながら、放電を観測できる手法であれば、この手法に限ったものではない。例えば、シャント抵抗を用いた放電電流測定などを用いても良いが、放電現象は非常に短時間で終了し、放電電流の立ち上がりもサブナノ秒のオーダーであることから、上記のような高周波数帯域のプローブ及びオシロスコープを用いることが好ましい。また、放電電流以外に、放電を解析するための手段を備えていても良い、例えば、表面電荷法、ポッケルス結晶を用いたポッケルス効果を応用した観測法などの手段を備えても良い。絶縁ワーク５の保持方法としては、放電プローブ８と絶縁ワーク５の距離を近付けた時に、絶縁ワーク５が、電気的な引力により変形しない方法であればよく、例えば、導電性接着剤により接着する方法などがあげられる。
【００１０】
[空隙距離測定系]
空隙距離測定系Ａは、放電電流測定と同期して放電プローブ８と絶縁ワーク５の距離を測定することができればよい。空隙距離測定系Ａの例としては、形状測定器１０により、放電プローブ８と絶縁ワーク５の距離を一定に保った基準点から、放電プローブ５をリニアに移動した距離をリニアゲージ１１により計測する。そして、移動方向／移動距離と移動前の基準ギャップから放電プローブ８と絶縁ワーク５の距離を算出する方法である。つまり、リニアゲージ１１の基準点からの変位と放電電流測定の同期が取れていれば良く、放電電流測定で使用するオシロスコープの別チャンネルでリニアゲージ１１の変位をモニターすれば実現できる。ただし空隙距離測定系Aは、放電電流測定と同期して放電プローブ８と絶縁ワーク５の距離が測定できる方法であれば、この方法に限ったものではない。ここで、形状計測器とは、少なくとも１ｍｍ程度の隙間が計測できるものを言う。
【００１１】
[帯電器]
帯電器７は、絶縁ワーク５の表面を均一に帯電できればよい。例えば、直流電圧を交流電圧に重畳した帯電バイアスを金属ワイヤーに印加したAC／DC帯電方式のコロナ帯電器などが挙げられる。金属ワイヤーと絶縁ワークの間に電圧を印加された金属製のグリッドがあればより、帯電均一性があがるので好ましい。ただし、絶縁ワーク表面を均一に帯電できればよく、この方法に限らない。例えば導電性のゴムローラに電圧を印加する方法等による帯電でも構わない。また、帯電状態を確認するための手段を備えていることが好ましい。
【００１２】
[空隙距離を変化させる手段]
放電プローブ８と絶縁ワーク５の空隙距離は、例えば自動送りステージ１２により放電プローブ８の位置を動かすことで変化させることができる。放電距離をミクロンオーダーで観測するために、ミクロンオーダーで連続的に放電プローブ８の位置を移動させることのできる手段を用いることが好ましい。例えばピエゾ素子などが挙げられる。また、空隙のストロークや空隙距離の変化速度を電子写真と同等にすることを考えると、自動送りステージを用いることが好ましい。以下、実施例、比較例を示して、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１３】
直径３００ｍｍの金属製の円盤からなるワーク保持部材６を用意した。このワーク保持部材６に、図４に示すように、吸引用の直径１ｍｍの穴１３を１０ｍｍ間隔の格子状に加工し、ロータリーポンプ１４で吸引することで、ワークをワーク保持部材上に吸着保持できるようにした。ワーク保持部の中央部付近で直径１ｍｍの穴１３がなくなっているが、ワークの中央部において放電を発生させるため、放電が発生する付近で吸着によりワークが変形しないようにするためである。
【００１４】
このワーク保持部材６を用いて図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した放電特性評価装置を組み立てた。ワーク保持部材６は、グランドに設置した。また、ワーク保持部材６は、ステッピングモータ(商品名：UPK564BW-T20、オリエンタルモーター株式会社製)により円盤中心で回転可能であり、ロータリーエンコーダ(商品名：E6H-CWZ6C、オムロン株式会社製)により、ワークの回転位置を制御できるようにした。また、帯電器７は、電子写真画像形成装置（商品名：IR6000、キヤノン株式会社製）のコロナ帯電器にAC/DC電源(商品名：MODEL PM04015A、トレック社製)を接続したコロナ帯電器を用いた。ワークの帯電状態を確認するために、表面電位計プローブ１５(MODEL347 Model6000B-8プローブ)を設置した。ワーク保持部材６の上に放電プローブ８、帯電器７、表面電位計プローブ１５がそれぞれ干渉しないように、図３（ｂ）に示すように、ワーク保持部材６の回転中心を極座標中心としてそれぞれ約1２０度ずらした。また、ワーク保持部材６が回転可能であり、回転することで、帯電、表面電位測定、放電が、ワーク保持部材６からワーク５を取り外すことなく行えるようになっている。
【００１５】
放電プローブ８は、真鍮で直径１０ｍｍの平板で、エッジ部はＲ１で面取りをした形状とし、電流プローブ(PP066：レクロイ社製)の先端を放電プローブ８に接触させ、オシロスコープ(Wave Master 8400A-XXL：レクロイ社製、「ＷＡＶＥＭＡＳＴＥＲ＼ウェーブマスター」は登録商標)にて放電電流を測定した。放電プローブと電流プローブの接触は、接触抵抗がなくなるように、銀ペーストをつけた。
【００１６】
また、放電プローブ８と絶縁ワーク５の空隙距離を変化させる手段としては、マイクロメータ１６を使用した。放電ギャップの基準点は、厚み２ｍｍの金属板を絶縁ワーク上に乗せた状態で、放電プローブ８と金属板の導通をとることで２ｍｍのギャップの基準点をとった。
【００１７】
以上の構成をもつ放電特性評価装置を実施例１とした。実施例１により、絶縁ワークを使用した場合でも放電ギャップの測定ばらつきが３０μm以下におさまった。
【実施例２】
【００１８】
図２に示すように、ワーク保持部材６の形状を、直径２４０ｍｍの円筒の形状とし、ワーク保持部材６の円筒面の一部に、グランドに接地された金属製のワーク保持台１７を装着した。また、図５に示すように、ワーク保持台１７上には、ワーク吸着用の直径１ｍｍの穴１３が空いており、ワークをロータリーポンプ１４により吸着保持できるようにした。ワーク保持台１７の中央部付近において穴１３をなくしたのは、実施例１に記載した理由と同じである。ワーク保持台１７は、円筒中心で、ステッピングモータ(UPK564BW-T20：オリエンタルモーター社製)により回転可能であり、ロータリーエンコーダ(E6H-CWZ6C：オムロン社製)により、その回転位置を制御できるようにした。帯電器７は実施例１と同様のものを用いた。
【００１９】
ワークの帯電状態を確認するために表面電位計プローブ１５を設置した。また、放電プローブ８、表面電位計プローブ１５及び帯電器７は、それぞれ干渉しないように、図２に示したように、ワーク保持台１７の回転中心を極座標中心として約９０度ずつ、ずらした。また、ワーク保持部材６が回転可能であり、回転することで、帯電、表面電位測定、放電が、ワーク保持台１７からワーク５を取り外すことなく行えるようになっている。放電プローブ８は、真鍮により表面をＳＲ１．０の球面形状に作製し、電流プローブ(PP066：レクロイ社製)の先端を放電プローブ５に接触させ、オシロスコープ９(Wave Master 8400A-XXL：レクロイ社製)にて放電電流を測定した。放電プローブと電流プローブの接触は、接触抵抗がなくなるように、銀ペーストをつけた。また、放電プローブ８と絶縁ワーク５の空隙距離を変化させる手段としては、自動送りステージ１２としてステッピングモータ（PX533MH-B：オリエンタルモーター社製）を使用し、放電プローブ８を移動させた。また、放電プローブの移動距離は、リニアゲージ１１(LGB2−0105L：ミツトヨ製)により測定した。放電ギャップの基準点は、厚さ２ｍｍでワーク保持部台と同様の曲率を持った金属板を絶縁ワーク上に乗せた状態で、放電プローブ８と金属板の導通をとることで２ｍｍのギャップの基準点をとった。また、放電プローブ８を、ワーク５に近付け過ぎて、放電プローブ８とワーク５が接触しても、放電プローブ８が傷つきにくい構造を持つこと好ましい。例えば以下のような構造がある。
【００２０】
放電プローブ８は、ステッピングモータ台１８上のスライダー１９上に固定されている。また、スライダー１９は、図２で水平方向に移動可能であって、エアシリンダー２０からの高圧空気により、放電プローブ８は、スライダー１９上でワーク保持部材６方向に押付けられている。このとき、放電プローブは、ステッピングモータ台１８上に固定されたストッパー位置まで高圧空気により押付けられ、且つプローブ待避バネ２１により、押付け方向とは逆向きに引っ張られている。このときプローブ待避バネ２１の強さを、高圧空気による押付け圧より若干小さくすることで、比較的小さな力により放電プローブ８が図２の左方向に待避できる構造になっている。そのため、誤って放電プローブ８をワーク５に近付けすぎて、放電プローブ８がワーク５に接触しても、放電プローブ５が傷つきにくい。
【００２１】
以上の構成を持つ放電特性評価装置を実施例２とした。実施例２により、実施例１に比較して、放電電流量の測定が安定して測定でき、放電電流の時間積分によって得られる移動電荷量のばらつきが、5分の1以下になった。
【実施例３】
【００２２】
形状測定器１０(LS7030MR：キーエンス社製)を用いて、放電プローブ８と絶縁ワーク５の空隙距離の基準点を決定できるようにした。それ以外は実施例２と同様にして実施例３の放電特性評価装置を作成した。実施例３により、比較して放電ギャップの測定ばらつきが５μｍ以下におさまった。
【００２３】
（比較例１）
ワーク保持部材６が、帯電器７を持たず、更にワーク保持部材６をグランドに接地せず、高圧電源(MODEL PM04015A：トレック社製)にて印加できるようにした以外は、実施例１と同様の構成を持った放電特性評価装置を比較例１とした。比較例１では、絶縁ワーク５を使用した場合、放電ギャップの測定ばらつきが５０μｍ以上であった。
【符号の説明】
【００２４】
５  絶縁ワーク
６  ワーク保持部材
７  帯電器
８  放電プローブ
１０  形状測定器
１１  リニアゲージ
１２  自動送りステージ
１５  表面電位計プローブ
１７  ワーク保持台
１９  スライダー
２０  エアシリンダー
２１  プローブ待避バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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