(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する薄膜状のエレクトレット電極と、
前記エレクトレット電極に働く静電力の変化を検出する静電力検出手段とを備え、
前記エレクトレット電極が、外周部を支持部によって支持され、内側領域が宙空に浮いていることを特徴とする表面電位センサ。
【請求項２】
前記エレクトレット電極の前方に、窓が開口された静電シールド部材を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の表面電位センサ。
【請求項３】
前記エレクトレット電極は、金属膜の表面にエレクトレット膜を形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面電位センサ。
【請求項４】
前記静電力検出手段は、前記エレクトレット電極の変形に感応して変形する変形部材と、前記変形部材の歪みを検出する歪み検出素子とからなることを特徴とする、請求項１に記載の表面電位センサ。
【請求項５】
前記エレクトレット電極は、その裏面を弾性材料によって支持されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面電位センサ。
【請求項６】
前記エレクトレット電極の裏面に半導体層を設け、前記半導体層に形成したピエゾ抵抗によって前記静電力検出手段を構成したことを特徴とする、請求項１に記載の表面電位センサ。
【請求項７】
前記静電力検出手段は、４つの前記ピエゾ抵抗によって構成されたブリッジ回路であることを特徴とする、請求項６に記載の表面電位センサ。
【請求項８】
前記静電力検出手段は、前記エレクトレット電極とともに変形する可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極によって構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面電位センサ。
【請求項９】
請求項１に記載した表面電位センサを備えた複写機。
【請求項１０】
前記表面電位センサを感光体ドラムの外周面に対向させて配置したことを特徴とする、請求項９に記載の複写機
【請求項１１】
前記表面電位センサは、前記感光体ドラムの幅方向に沿って走行可能となっていることを特徴とする、請求項１０に記載の複写機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面電位センサ及び複写機に関し、具体的には、対象物体との間に働く静電力を利用して対象物体の表面電位を計測するための表面電位センサと、当該表面電位センサを備えた複写機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複写機やプリンタ、液晶表示デバイスなど種々の機器において、特定部分の表面電位が計測されている。例えば、静電複写機においては、感光体ドラムを繰り返し使用していると、次第に感光体ドラムの帯電電圧が低下してくる。感光体ドラムの帯電電圧があるレベルよりも低下すると、潜像の質が低下してトナーの乗りが悪くなったり、色ムラなどが生じたりして、印刷品質が低下する。そのため、従来においては、帯電器で帯電させた後の感光体ドラムの帯電電圧を表面電位センサによって計測することで感光体ドラムの劣化具合や寿命を監視している。そして、感光体ドラムの帯電電圧が所定値以下になったら、感光体ドラムを交換するように例えば警告を出すようにしている。
【０００３】
（チョッパー型の電位センサ）
表面電位センサにはいくつか種類があるが、その１つとしてチョッパー型の表面電位センサがある。図１は、チョッパー型の表面電位センサ１１の測定原理を説明するための概略図である。表面電位センサ１１は、ケーシング１２内に検出電極１３を有しており、検出電極１３は抵抗Ｒｓを介してグランドに接続されている。ケーシング１２には、検出電極１３に対向して窓１４が開口されている。さらに、検出電極１３と窓１４の間にはチョッパー１５が設けられている。チョッパー１５は、グランド電位に保たれており、窓１４を通過して検出電極１３に向かう静電界を遮蔽する一対の遮蔽板１６を有する。遮蔽板１６は一定の周期で振動し、遮蔽板１６間を周期的に開閉する。窓１４を帯電物体１７に向けて表面電位センサ１１を設置すると、帯電物体１７から出た静電界が窓１４から表面電位センサ１１内に入射し、さらに遮蔽板１６間を通過して検出電極１３に到達するが、遮蔽板１６が周期的に開閉しているので、検出電極１３に到達する静電界の入射面積（電気力線の数）が変動する。
【０００４】
この表面電位センサ１１は静電誘導現象を利用したものであって、帯電物体１７から出た強度Ｅo（帯電物体１７の帯電電位Ｖoに比例している。）の静電界を検出電極１３が受けると、検出電極１３に誘導電荷ｑが発生する。しかし、このような静的状態では電気信号として検出することができないので、帯電物体１７と検出電極１３の間にチョッパー１５を設け、チョッパー１５の開閉により静電界の入射面積を周期的に変化させている。チョッパー１５により静電界の入射面積を周期的に変化させると誘導電荷ｑも同様に周期的に変化し、検出電極１３からグランドに変位電流Ｉsが流れる。この変位電流Ｉsは、抵抗Ｒsにより交流電圧信号Ｖsに変換される。そして、交流信号Ｖｓを測定することによって帯電物体１７の帯電電位Ｖoを検知することができる。このようなチョッパー型の表面電位センサとしては、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。
【０００５】
しかし、このようなチョッパー型の表面電位センサでは、静電界の入射面積を周期的に変化させるためのチョッパーが必要不可欠となる。チョッパーを開閉させるためにはメカニカルなアクチュエータが必要となるため、表面電位センサの小型化が困難である。例えば、特許文献１に開示された表面電位センサでは、特許文献１の図１５に示されているような音叉型部品を必要とする。この音叉型部品は、先端部に一対の遮蔽板を設け、基部に圧電振動子を取り付けたものであって、圧電振動子の振動を音叉型部品で増幅（共振）させてチョッパーを開閉させるようにしたものであり、チョッパーに比べてもかなり大きな部品となる。
【０００６】
このようにチョッパー型の表面電位センサでは、チョッパーを開閉させるためのメカニカルなアクチュエータ（音叉型部品）が必要となるためＭＥＭＳ化ができず、表面電位センサの小型化が困難であり、製造コストも高くつき、当該部品の表面電位センサへの組み込み作業も必要となる。
【０００７】
このようにチョッパー型の表面電位センサは、サイズが大きく、かなりの長さを有しているので、複写機の感光体ドラムの帯電電位を計測する用途でも、感光体ドラムの幅方向に沿って動かすだけのスペースを複写機内に確保することは不可能である。また、チョッパーを駆動するためのアクチュエータが影響を受けるので、表面電位センサを動かすことができない。そのため、この表面電位センサでは、感光体ドラムの１箇所の外周しか監視することができず、感光体ドラムの劣化を検知するうえで信頼性が低い。一方、ビジネス用複写機などでは、活版印刷機に匹敵する印刷品質が求められるので、感光体ドラムの全体を検査することが要望されている。
【０００８】
（静電誘導型の表面電位センサ）
別な表面電位センサとしては、帯電物体との間に働く静電力を利用したものがある。このようなセンサとしては、例えば特許文献２に開示されたものがある。この表面電位センサでは、額縁状をした支持部内に可動電極板を位置させ、一対の梁部によって可動電極板を片持ち状に支持させている。梁部には、梁部の撓み量を検出するための歪みゲージを設けている。
【０００９】
可動電極板を帯電物体に対向させると、両者の間に働く静電吸引力によって可動電極板が帯電物体に引きつけられるので、その時の梁部の撓み量を歪みゲージによって検知し、歪みゲージで計測した梁部の撓み量に基づいて帯電物体の電位を算出している。
【００１０】
しかし、特許文献２に開示された表面電位センサでは、静電誘導によって可動電極板の表面に誘起された電荷によって可動電極板が吸引されるだけであるので、静電吸引力が小さい。そのため、梁部の剛性が高いと可動電極板の変位が小さく、高い測定感度を得ることは困難である。また、梁部の剛性が低くて可動電極板の変位が大きいと、変位時の可動電極板の傾きが大きくなるので、表面電位センサの設置方向によって特性が変化する恐れが生じ、機器への組み込みが難しくなる。また、振動による加速度の影響を大きく受けるので、正確に測定することも困難である。さらに、このような表面電位センサでは、可動電極板は、帯電物体の極性（電圧の正又は負）によらず帯電物体に引きつけられるので、帯電物体の極性を知ることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２９５０４号公報
【特許文献２】特開平５−２４９１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型、高感度で、さらに対象物体の電位のみならずその極性も検知することのできる表面電位センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る表面電位センサは、可撓性を有する薄膜状のエレクトレット電極と、前記エレクトレット電極に働く静電力の変化を検出する静電力検出手段とを備え、前記エレクトレット電極が、外周部を支持部によって支持され、内側領域が宙空に浮いていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の表面電位センサでは、静電力検出手段によりエレクトレット電極に働く静電力を計測できる。よって、対象物体とエレクトレット電極との間に働く静電力から対象物体の電位を検知することができる。また、この表面電位センサは、エレクトレット電極が変形しやすいので、表面電位センサの感度が向上する。
【００１５】
本発明に係る表面電位センサにあっては、チョッパー型の表面電位センサのようにメカニカルな構造のアクチュエータやチョッパー機構などを必要としないので、表面電位センサを小型化することができ、製造コストも安価にできる。特に、ＭＥＭＳ技術を用いて量産することにより、サイズを非常に小さくでき、大幅なコストダウンを図ることができる。さらに、本発明の表面電位センサでは、エレクトレット電極を用いることによって計測感度を高めることができ、しかも対象物体の電位が正電位か負電位かも検知できる。また、メカニカルな構造のアクチュエータやチョッパー機構などを必要とせず、簡単な構造となっているので、故障が起きにくくて信頼性が高い。
【００１６】
本発明に係る表面電位センサのある実施態様は、前記エレクトレット電極の前方に、窓が開口された静電シールド部材を設けたことを特徴とする。かかる実施態様によれば、対象物体のうち窓に対応する狭い領域の表面電位を計測できるので、対象物体の局所的な領域の電位を精度よく計測できる。
【００１７】
本発明に係る表面電位センサの別な実施態様における前記エレクトレット電極は、金属膜の表面にエレクトレット膜を形成されたものである。かかる実施態様によれば、ワイヤ電極から当該金属膜にコロナ放電を起こさせエレクトレット膜に電子を打ち込んで荷電させることができる。
【００１９】
本発明に係る表面電位センサのさらに別な実施態様は、前記静電力検出手段が、前記エレクトレット電極の変形に感応して変形する変形部材と、前記変形部材の歪みを検出する歪み検出素子とからなることを特徴とする。かかる実施態様に置いては、エレクトレット電極の変形によって変形する変形部材の歪みを検出することによってエレクトレット電極の変形量を知ることができるので、エレクトレット電極に働く静電力やその正負を検出することができる。このようにエレクトレット電極に働く静電力は直接計測しなくてもよく、間接的に計測してもよい。
【００２０】
本発明に係る表面電位センサのさらに別な実施態様は、前記エレクトレット電極が、その裏面を弾性材料によって支持されていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、エレクトレット電極に静電力が加わった場合には、弾性材料を変形させながらエレクトレット電極が撓んで対象物体の電位を検知する。また、エレクトレット電極の裏面が弾性材料によって支持されているので、エレクトレット電極が破損しにくく、表面電位センサの耐久性が向上する。
【００２１】
本発明に係る表面電位センサのさらに別な実施態様は、前記エレクトレット電極の裏面に半導体層を設け、前記半導体層に形成したピエゾ抵抗によって前記静電力検出手段を構成したことを特徴とする。特に、４つのピエゾ抵抗によってブリッジ回路を構成したものを静電力検出部としてもよい。かかる実施態様によれば、ＭＥＭＳ半導体工程によって静電力検出手段を作製できる。
【００２２】
本発明に係る表面電位センサのさらに別な実施態様は、前記静電力検出手段が、前記エレクトレット電極とともに変形する可動電極と、前記可動電極に対向する固定電極によって構成されていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、可動電極と固定電極の間の静電容量の変化としてエレクトレット電極に働く静電力の変化を検出することができる。
【００２３】
本発明に係る複写機は、本発明に係る表面電位センサを備えたことを特徴とする。例えば、前記表面電位センサを感光体ドラムの外周面に対向させて配置したものである。かかる複写機は、本発明の表面電位センサを用いているので、各部位の電位を精度よく計測することが可能になる。また、表面電位センサを小型化できるので、複写機に組み込む上での制約も少なくなる。
【００２４】
また、本発明の表面電位センサは小型化することができるので、感光体ドラムの幅方向に沿って走行させることが可能になり、感光体ドラムの全面で電位の計測が行える。よって、感光体ドラムの劣化をより精緻に検査することができ、印刷の品質が向上する。
【００２５】
なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来のチョッパー型の表面電位センサの測定原理を説明するための概略図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る表面電位センサの概略断面図である。
【図３】図２に示した表面電位センサの下面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る表面電位センサにおける歪み量検出部を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る表面電位センサの概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る表面電位センサの概略断面図である。
【図７】本発明の実施形態４に係る表面電位センサの概略断面図である。
【図８】本発明に係る複写機の概略図である。
【図９】図８の複写機における感光体ドラム周辺の構造を表した概略図である。
【図１０】感光体ドラムに沿って走行する表面電位センサを示す斜視図である。
【図１１】図８に示した複写機の制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
【００２８】
（実施形態１）
以下、図２、図３及び図４を参照して本発明の実施形態１による表面電位センサ２１を説明する。図２は本発明の実施形態１による表面電位センサ２１の概略断面図、図３は表面電位センサ２１の下面図、図４は表面電位センサ２１の歪み量検出部３２を示す回路図である。
【００２９】
図２に示すように、シリコン基板等の半導体基板２２の下面外周部には比較的厚みの大きな支持部２３が設けられており、半導体基板２２の下面には支持部２３によって囲まれた凹部２４が形成されている。凹部２４の上に位置する薄膜状のダイアフラム２５（半導体層）は支持部２３によって宙空で支持されている。半導体基板２２の上面には金属膜２６が成膜されており、金属膜２６の上にエレクトレット膜２７が形成されている。
【００３０】
エレクトレットとは、電気を通しにくい高分子材料（ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、マイラーなど）等を加熱溶融し、これに直流の高電圧を加えながら電極間で固化させたあと電極を取り去ると、電極に接していた面が正または負に帯電するが、それらの分極（正と負の電気に分かれた状態）が半永久的に保持されるものである。ただし、この実施形態では、金属膜２６を電極としてワイヤ電極（図示せず）によるコロナ放電を発生させることにより、エレクトレット膜２７の表面をプラス又はマイナスに帯電させている。金属膜２６と帯電したエレクトレット膜２７とによってエレクトレット電極２８が構成される。
【００３１】
エレクトレット電極２８の上方には、エレクトレット電極２８を覆うように静電シールド部材３３が設けられており、静電シールド部材３３はグランド配線３５を通じてグランドに接続されている。また、静電シールド部材３３には所定寸法の窓３４が開口されている。静電シールド部材３３はグランドに接続されているので、表面電位センサ２１と対向する対象物体４１（帯電物体）からの静電力は静電シールド部材３３によって遮蔽される。よって、対象物体４１とエレクトレット電極２８との間には、静電シールド部材３３の窓３４を通してのみ静電力が働くようになっており、窓３４の周囲の影響を排除して対象物体４１の所定領域だけを検知できる。
【００３２】
対象物体４１とエレクトレット電極２８の間に働く静電力は、対象物体４１の帯電電位（帯電電荷密度）が増加するに従って大きくなる。また、エレクトレット電極２８の撓み方向は対象物体４１の帯電電荷の極性によって異なる。例えば、エレクトレット電極２８の上面がプラスに帯電しているとすれば、対象物体４１の表面がマイナスに帯電している場合には、対象物体４１とエレクトレット電極２８の間には静電引力が働くので、エレクトレット電極２８は対象物体４１側へ膨らむように撓む。逆に、対象物体４１の表面がプラスに帯電している場合には、対象物体４１とエレクトレット電極２８の間には電気的な斥力が働くので、エレクトレット電極２８は対象物体４１と反対側側へ膨らむように撓む。
【００３３】
図３において細かなドットを付した領域は、静電シールド部材３３の窓３４と対向していて対象物体４１からの静電力を受ける領域（以下、感応領域３６という。）を表している。感応領域３６の周辺部において、ダイアフラム２５の裏面には等間隔に４つのピエゾ抵抗２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄが設けられている。各ピエゾ抵抗２９ａ−２９ｄは、半導体基板２２に不純物拡散やイオン打ち込みを行なって形成されている。ピエゾ抵抗２９ａ−２９ｄは、ダイアフラム２５の歪み量に応じて抵抗値が変化するので、各ピエゾ抵抗２９ａ−２９ｄの抵抗値の変化から対象物体４１の電位を算出することができる。また、感応領域３６の周辺部分はもっとも歪みの大きな領域であるので、ここにピエゾ抵抗２９ａ−２９ｄを設けることで計測感度を高めることができる。
【００３４】
歪み量検出部３２（静電力検出手段）は、４つのピエゾ抵抗２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄを配線３０で接続して構成されており、図４のようなブリッジ回路となっている。また、各ピエゾ抵抗２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄの間の各配線３０には、電極パッド３１ａ、３１ｂ、３１ａ、３１ｂが設けられている。歪み量検出部３２の電極パッド３１ａ、３１ａ間には定電流電源３７が接続され、電極パッド３１ｂ、３１ｂ間からはエレクトレット電極２８の歪み量（対象物体４１の帯電電位）に応じた出力信号（差動出力電圧）が出力される。
【００３５】
なお、図４のようなブリッジ回路では、各ピエゾ抵抗２９ａ−２９ｄの抵抗値（初期値）が等しいと、エレクトレット電極２８が均等に撓んだ場合には、電極パッド３１ｂからの出力電圧はゼロになるように思える。しかし、シリコン基板等には結晶異方性があり、縦方向と横方向に発生する歪み量は均等でないため、エレクトレット電極２８が均等に撓んだ場合であっても電極パッド３１ｂ、３１ｂから差動出力電圧が出力され、対象物体４１の電位を計測することができる。また、この差動出力電圧から対象物体４１の電位がプラスか、マイナスかも判別することができる。
【００３６】
また、図４のような歪み量検出部３２においては、一部のピエゾ抵抗（例えば、ピエゾ抵抗２９ｂ、２９ｄ）を定抵抗としてもよい。
【００３７】
この表面電位センサ２１で対象物体４１の電位を求めることができるのは、つぎのような原理に寄る。ピエゾ抵抗からなる歪み量検出部３２を用いてエレクトレット電極２８の歪みを検出することができれば、エレクトレット電極２８の弾性率などを考慮してエレクトレット電極２８に働く静電力を求めることができる。さらに、表面電位センサ２１と対象物体４１の位置関係なども考慮すれば、対象物体４１の電位を計測することが可能になる。
【００３８】
つぎに、エレクトレット電極を用いた表面電位センサに働く静電力を考える。エレクトレット電極に働く単位面積当たりの静電力Ｐは、平行平板コンデンサの式より、次の数式１で求められる。
Ｐ＝Ｆ／Ｓ＝εo・Ｖ１・Ｖ２／（２ｄ２）      …（数式１）
ただし、
εo：  真空中の誘電率
ｄ：  エレクトレット電極と対象帯電物体の表面との距離
Ｖ１：  エレクトレット電極の帯電電圧
Ｖ２：  対象帯電物体の帯電電圧
Ｓ：  エレクトレット電極と対象帯電物体の対向面の面積
Ｆ：  エレクトレット電極に働く静電力
【００３９】
また、円板状をしたダイアフラムに均一な静電力が働く場合の、ダイアフラムの歪みδは、次の数式２で求められる。
δ＝１２ｒ４・Ｐ・（1−ν２）／（６４Ｅ・ｔ３）      …（数式２）
ただし、ｒ：  ダイアフラム及びエレクトレット電極の可動領域の半径
Ｐ：  エレクトレット電極に働く単位面積当たりの静電力
ν：  ダイアフラムのポアソン比
Ｅ：  ダイアフラムのヤング率
ｔ：  ダイアフラムの膜厚
【００４０】
前記数式１及び前記数式２より、
δ＝３ｒ４・εo・Ｖ１・Ｖ２・（1−ν２）／（３２ｄ２・Ｅ・ｔ３）
となる。ここで、一般的なピエゾ抵抗を用いたダイアフラム方式の圧力センサでは、ダイアフラムの直径が０.６ｍｍで感度が６Ｐａ程度のものが実現されているが、これはダイアフラムの歪み量としては４.３×１０−１１ｍ程度に相当する。
このような感度の圧力センサの歪み量（δ＝４.３×１０−１１ｍ）と同じ歪み量を得ようにすると、エレクトレット電極と対象帯電物体との距離ｄが３ｍｍという条件下では、対象帯電物体の帯電電圧Ｖ２が５Ｖの場合には、必要なダイアフラムの直径（２ｒ）は４.４ｍｍとなる。
ただし、
εo＝９×１０−１２Ｆ／ｍ
Ｖ１＝８００Ｖ
Ｖ２＝５Ｖ
ｄ＝３ｍｍ
ν＝０.３４  （シリコン製ダイアフラム、金属層およびエレクトレット膜の膜厚荷重平均値）
Ｅ＝１.８８×１０５Ｎ／ｍｍ２  （シリコンのヤング率）
ｔ＝１０μｍ  （シリコン製ダイアフラムの膜厚）
尚、金属層（厚み０.３μｍ）とエレクトレット電極（厚み１５μｍ）のヤング率は、シリコン製ダイアフラムに比べて一般的に十分に小さいので、無視できる範疇にあるとして計算には含めていない。
【００４１】
本発明の実施形態１に係る表面電位センサ２１は、次のような利点を有している。エレクトレット電極は半導体プロセスとの親和性が高いので、ＭＥＭＳ技術を用いることにより表面電位センサ２１をＭＥＭＳ半導体工程で一貫製造することができる。しかも、メカニカルな機構を用いていないので、表面電位センサ２１のサイズを非常に小さくすることができる。例えば、図３の方向から見て縦横が３−５ｍｍ程度のサイズにすることができる。また、メカニカルな機構を有しないので、製造コストを安価にすることができ、故障が起こりにくくて信頼性が向上し、低消費電力化も図れる。さらに、この表面電位センサ２１では、エレクトレット電極２８を用いているので、単なる金属電極に比べて対象物体４１との間に大きな静電力が働き、エレクトレット電極２８の撓みが大きくなり、測定感度が大幅に向上する。さらに、対象物体４１の帯電電位のプラス、マイナスも判定することが可能になる。さらに、方向性を持たない構造となっているので、機器への組み込みも容易になる。
【００４２】
（実施形態２）
図５は本発明の実施形態２による表面電位センサ４５を示す概略断面図である。この表面電位センサ４５では、シリコン基板等の半導体基板２２の下面にエッチングによって凹部２４を形成し、その周囲に支持部２３を形成している。また、凹部２４の上には、半導体基板２２によって薄膜状のダイアフラム２５を形成し、ダイアフラム２５の上面にピエゾ抵抗２９ａ〜２９ｄを設けている。さらに、半導体基板２２の上面を酸化膜や窒化膜などの絶縁層３８で覆い、その上に金属膜２６とエレクトレット膜２７からなるエレクトレット電極２８を形成している。
【００４３】
この表面電位センサ４５は、半導体基板２２（ウエハ）の上面にピエゾ抵抗２９ａ〜２９ｄを作製し、さらに半導体基板２２の上面に順次絶縁層３８、金属膜２６、エレクトレット膜２７を形成した後、半導体基板２２を下面からエッチングすることにより、凹部２４とその上のダイアフラム２５を形成している。このようにして製造することによって表面電位センサ４５の製造工程中のハンドリングが容易になり、製造工程が簡略化される。
【００４４】
（実施形態３）
図６は本発明の実施形態３による表面電位センサ５１を示す概略断面図である。この表面電位センサ５１では、平板状の基板５２の上面に土台５３を設け、土台５３の上に感知レバー５４（変形部材）を設けている。感知レバー５４は基部を土台５３の上面に固定されており、先端部が土台５３から離れて上方へ向けて湾曲して延びている。さらに、感知レバー５４に力が加わったときに最も大きな歪みが発生する部分に歪みゲージ５５（歪み検出素子）を取り付けている。この感知レバー５４と歪みゲージ５５によって静電力検出手段を構成している。さらに、基板５２の上面には、土台５３、感知レバー５４及び歪みゲージ５５を埋め込むようにしてシリコンゴムなどの弾性材料５６が成形されている。弾性材料５６の上面は平らに形成されており、弾性材料５６の上面に金属膜２６とエレクトレット膜２７からなるエレクトレット電極２８が形成されている。感知レバー５４と歪みゲージ５５は、基板５２の上面の四方向に設けている。
【００４５】
この表面電位センサ５１では、静電シールド部材３３が設けられていないので、エレクトレット電極２８の全面に対象物体４１との間の静電力が働く。また、エレクトレット電極２８に静電力が働くと、静電力によって生じたエレクトレット電極２８の撓みは弾性材料５６を通じて感知レバー５４の先端部に働く。そして、感知レバー５４の変形を歪みゲージ５５で検出することによって対象物体４１の電位が検知される。また、この表面電位センサ５１では、エレクトレット電極２８の全面が弾性材料５６によって支持されているので、エレクトレット電極２８が破損しにくく、表面電位センサ５１の耐久性が向上する。
【００４６】
（実施形態４）
図７は本発明の実施形態４による表面電位センサ５７を示す概略断面図である。この表面電位センサ５７は、静電容量式の静電力検出手段を備えている。
【００４７】
この表面電位センサ５７では、シリコン基板などの半導体基板２２の上面には、金属膜やポリシリコンからなる固定電極５８が形成されている。半導体基板２２の上方には、シリコン薄膜や絶縁膜からなる薄膜状のダイアフラム２５が配置されており、ダイアフラム２５の下面外周部は酸化膜や窒化膜などの絶縁膜からなる支持部材６０によって支持されている。さらに、ダイアフラム２５の上面には、金属膜２６とエレクトレット膜２７からなる薄膜状のエレクトレット電極２８が形成されている。ダイアフラム２５の下面には、間隙を隔てて固定電極５８と対向するようにして、金属膜やポリシリコンからなる可動電極５９が形成されている。固定電極５８と可動電極５９からは、それぞれ出力端子３１ｃ、３１ｄが引き出されている。また、エレクトレット電極２８の上方には、静電シールド部材３３が配置されている。
【００４８】
しかして、静電シールド部材３３の窓３４を通してエレクトレット電極２８と対象物体４１との間に静電引力が働き、エレクトレット電極２８の中央部（感応領域３６の中央部）が変位すると、固定電極５８と可動電極５９との間の静電容量が変化するので、静電容量の変化からエレクトレット電極２８の変位量を知ることができる。よって、エレクトレット電極２８に働く静電力を計測することができ、さらに対象物体４１の電位を計測することができる。しかも、この実施形態では、エレクトレット電極２８の中央部の変位を検知できるので、より高感度の表面電位センサ５７を製作することができる。
【００４９】
（実施形態５）
図８は、本発明に係る（静電）複写機６１の概略図である。図９は、複写機６１の１つの感光体ドラムの周囲の構造を示す概略図である。図１０は、感光体ドラムに沿って走行する表面電位センサを示す斜視図である。図１１は、複写機６１の制御ブロック図である。
【００５０】
複写機６１は、図８及び図１１に示すように、主として原稿読取部１０１、画像形成部１０２、中間転写ベルトユニット１０３、給紙部１０４、用紙搬送機構部１０５、両面ユニット１０６、定着器ユニット１０７、外部通信インターフェイス１０８、画像処理回路１０９、制御回路１１０、操作パネル１１１からなる。原稿読取部１０１は、複数枚の原稿を１枚ずつ原稿台へ送る自動原稿送り装置６２と、原稿台にセットされた原稿を読み取るスキャナ部６３とからなる。原稿読取部１０１が操作パネル１１１から複写開始指示を受け取ると、自動原稿送り装置６２が原稿を１枚ずつ送り、スキャナ部６３で原稿を読取る。スキャナ部６３で読み取られたカラー原稿の画像は画像処理回路１０９へ送られる。画像処理回路１０９は、カラー画像をイエロー画像と、シアン画像と、マゼンタ画像と、ブラック画像とに分解し、各画像データを画像形成部１０２へ送る。
【００５１】
なお、上記の例では、複写機６１が操作パネル１１１の操作によりコピー機能として使用される場合であるが、複写機６１が、外部通信インターフェイス１０８を介してパソコン（ＰＣ）等の外部機器から印刷データと印刷指示を受け取り、プリンタ機能として使用される場合もある。
【００５２】
画像形成部１０２は、イエロー・トナー６６Ｙによってイエロー画像を再現するイエロー転写部６４Ｙ、シアン・トナー６６Ｓによってシアン画像を再生するシアン転写部６４Ｓ、マゼンタ・トナー６６Ｍによってマゼンタ画像を再生するマゼンタ転写部６４Ｍ、およびブラック・トナー６６Ｂによってブラック画像を再現するブラック転写部６４Ｂからなる。各色転写部６４Ｙ、６４Ｓ、６４Ｍ、６４Ｂは、用いるトナーの色が異なるだけであって、機械的構造は同一であるので、代表してイエロー転写部６４Ｙを図９に示す。
【００５３】
図９に示すように、感光体ドラム６５の外周には、クリーニング・ブレード６７、帯電器６８、露光ユニット６９、表面電位センサ７０、現像器７４が設置されている。クリーニング・ブレード６７は、トナー転写後の感光体ドラム表面に残っているトナーを掻きとってクリーニングする。帯電器６８には高電圧発生器７１によって高電圧が供給されており、帯電器６８は、クリーニング後の電荷を持たない感光体ドラム６５の表面に対してプラスまたはマイナスの電荷を付与し、感光体ドラム６５の表面を帯電させる。露光ユニット６９は、帯電した感光体ドラム６５の表面に沿ってレーザー光を走査し、感光体ドラム６５の表面にイエロー画像の静電潜像を生成する。例えば、レーザー露光方式の場合には、トナーを乗せる部分へ光を当てて走査する。
【００５４】
表面電位センサ７０は、本発明に係る表面電位センサであって、例えば実施形態１の表面電位センサ２１や実施形態２の表面電位センサ４５、実施形態３の表面電位センサ５１、実施形態４の表面電位センサ５７などである。表面電位センサ７０は移動テーブルなどに設置されており、図１０に示すように感光体ドラム６５の幅方向に沿って往復移動しながら感光体ドラム６５の表面の電位を計測する。感光体ドラム６５の表面電位の計測データは制御回路１１０へ送られる。
【００５５】
現像器７４にはトナーボトル７３内のイエロー・トナー６６Ｙが供給されており、イエロー・トナー６６Ｙは現像器７４内でキャリアと混合され、攪拌用スクリュー７２によって攪拌される。現像器７４内のイエロー・トナー６６Ｙは分離用帯電器７６によって帯電させられ、マグロール７５の表面に乗ってマグロール７５から感光体ドラム６５の表面へ供給される。一方、キャリアはマグロール７５に吸着されて回収される。こうして現像器７４内のイエロー・トナー６６Ｙは感光体ドラム６５の表面の帯電領域に吸着されて保持され、感光体ドラム６５の表面にイエロー画像の鏡像が作製される。感光体ドラム６５の下には１次転写ロール７７が対向しており、１次転写ロール７７内にはトナー転写用帯電器７８が設けられている。よって、感光体ドラム６５と１次転写ロール７７の間を通過する中間転写ベルト７９はトナー転写用帯電器７８によって帯電させられ、感光体ドラム６５上のイエロー・トナー６６Ｙが中間転写ベルト７９に転写される。
【００５６】
シアン転写部６４Ｓ、マゼンタ転写部６４Ｍ及びブラック転写部６４Ｂの働きもイエロー転写部６４Ｙと同じである。したがって、中間転写ベルト７９が各色転写部６４Ｙ、６４Ｓ、６４Ｍ、６４Ｂを通過することによって、中間転写ベルト７９の表面にはカラー画像の鏡像が形成される。
【００５７】
このようにして感光体ドラム６５が帯電と除電を繰り返していると、次第に感光体ドラム６５が劣化し、帯電器６８で電荷を供給しても十分な電荷が感光体ドラム６５の表面に固定されなくなる。そうなると、鮮明な潜像が得られないので、次第に印刷品質が悪くなっていく。そのため、この複写機６１では、図９に示すように表面電位センサ７０の出力信号によって帯電器６８をフィードバック制御している。すなわち、表面電位センサ７０によって計測した感光体ドラム６５の表面電位が所定レベルよりも低下していると制御回路１１０が判定すると、制御回路１１０は高電圧発生器７１の出力電圧をそれまでよりも高くなるように設定し、感光体ドラム６５の表面電位を所定レベル以上となるように調整する。また、さらに感光体ドラム６５の劣化が進んで帯電器６８の調整範囲を超えた場合には、制御回路１１０は感光体ドラム６５を交換するように警報を出力する。
【００５８】
また、表面電位センサ７０は非常に小さくすることができるので、感光体ドラム６５の表面に沿って幅方向に走行させることができる。よって、感光体ドラム６５の１箇所だけでなく、感光体ドラム６５の全面を検査することが可能になり、感光体ドラム６５を良好な状態に維持することができる。よって、印刷ムラを防止することができ、良好な印刷品質を実現することができる。
【００５９】
上記中間転写ベルト７９は中間転写ベルトユニット１０３を構成している。すなわち、図８に示すように、中間転写ベルト７９は複数の１次転写ロール７７及び走行ローラ８０ａ、８０ｂに沿って無端帯状に走行している。
【００６０】
給紙部１０４には、複数枚の用紙８２がストックされている。給紙部１０４から引き出された用紙８２は、矢印ａ、ｂのように用紙搬送機構部１０５によって走行ローラ８０ａと２次転写ロール８１の間へ送り込まれる。２次転写ロール８１内には、トナー転写用帯電器（図示せず）が内蔵されており、中間転写ベルト７９とともに走行ローラ８０ａと２次転写ロール８１との間を通過する用紙８２には、中間転写ベルト７９からトナーが転写される。
【００６１】
トナーを転写された用紙８２は、矢印ｃ、ｄのように用紙搬送機構部１０５によって定着器ユニット１０７を通過し、定着器ユニット１０７によって加熱加圧されてトナーを固定化される。
【００６２】
両面印刷の場合には、画像を定着された用紙８２は、矢印ｅ、ｆのように両面ユニット１０６で逆行することによって裏返され、矢印ｂのように用紙搬送機構部１０５によって再び走行ローラ８０ａと２次転写ロール８１の間へ送られる。そして、走行ローラ８０ａと２次転写ロール８１の間を通過することによって用紙８２の裏面にトナーを転写される。トナーを転写された用紙８２は、矢印ｃ、ｇのように再び定着器ユニット１０７を通過して裏面の画像を固定化され、複写機６１から排出される。
【００６３】
なお、上記の例では、感光体ドラム６５の箇所にのみ表面電位センサを設けたが、１次転写ロール７７を通過した後の中間転写ベルト７９の電位を表面電位センサで計測し、その計測結果に応じて１次転写ロール７７内のトナー転写用帯電器７８を調整するようにしてもよい。同様に、２次転写ロール８１を通過した後の用紙８２の電位を表面電位センサで計測し、その計測結果に応じて２次転写ロール８１内のトナー転写用帯電器を調整するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の表面電位センサは、物体表面の電位を計測する用途であれば、どのような製品にも用いることができる。なかでも、静電複写機、特にビジネス用の大型複写機、レーザービームプリンタなどに用いるのに最適である。その他にも、液晶表示装置の帯電測定、ＩＣの生産工程での静電気の監視、シリコンウエハの表面電位測定、各種フィルムやペーパーの表面電位測定、各種材料試験、一般的な静電気測定にも用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
２１、５１、５７      表面電位センサ
２２      半導体基板
２５      ダイアフラム
２６      金属膜
２７      エレクトレット膜
２８      エレクトレット電極
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ      ピエゾ抵抗
３２      歪み量検出部
３３      静電シールド部材
３４      窓
３６      感応領域
４１      対象物体
５４      感知レバー
５５      歪みゲージ
５６      弾性材料
５８      固定電極
５９      可動電極
６１      複写機
６５      感光体ドラム
６８      帯電器
６９      露光ユニット
７０      表面電位センサ
７１      高電圧発生器
７４      現像器
７９      中間転写ベルト
１１０      制御回路
１１１      操作パネル
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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