(57)【要約】【課題】比較的高速な応答性を有し、精度、空間分解能を向上させられる測定対象の表面電位を距離依存性なしに測定可能な電位測定装置を提供することである。【解決手段】電位測定装置は、中立距離dを基準として検出電極1と測定対象2との距離を一定周期で変化させることにより、静電誘導で検出電極1に励起される電荷の変化を電流変化に係る信号として検出する。電位測定装置は、第1検出手段3と、第2検出手段3、4と、演算手段とを有する。第1検出手段は、電流変化の周期の基本周期に係る信号とその2倍の2倍周期に係る信号を検出する。第2検出手段は、中立距離の状態にある検出電極1と測定対象2との間の静電容量に係る情報を検出する。演算手段は、第1検出手段の検出結果と第2検出手段の検出結果に基づき、中立距離及び静電容量の影響を排除して測定対象2の表面電位を算出する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中立距離を基準として検出電極と測定対象との距離を一定周期で変化させることにより、静電誘導で検出電極に励起される電荷の変化を電流変化に係る信号として検出する電位測定装置であって、
前記電流変化の周期の基本周期に係る信号と、その2倍の2倍周期に係る信号とを検出する第1検出手段と、
前記中立距離の状態にある検出電極と測定対象との間の静電容量に係る情報を検出する第2検出手段と、
前記第1検出手段の検出結果と、前記第2検出手段の検出結果とに基づき、前記中立距離及び静電容量の影響を排除して測定対象の表面電位を算出する演算手段と、
を有することを特徴とする電位測定装置。
【請求項２】
前記第2検出手段は、前記第1検出手段による検出時とは異なる電圧を前記検出電極に印加する電源を含むことを特徴とする請求項1記載の電位測定装置。
【請求項３】
前記第2検出手段は、前記中立距離の状態にある検出電極と測定対象の間で形成されるキャパシタンスと、既知のインダクタンスと、周波数可変電源を持つ共振回路を含む発振回路を含むことを特徴とする請求項1記載の電位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出電極と測定対象との距離を変化させることにより測定対象の表面電位や帯電量などの測定に使用される電位測定装置、及びそれを用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、感光ドラムを有し電子写真方式により画像形成を行う画像形成装置において、常に安定した画質を得るためには、どの様な環境下でも感光ドラム表面の電位分布が適当に（典型的には均一に）なる様に感光ドラム表面を帯電しておく必要がある。このため、電位測定装置を用いて感光ドラム表面の電位を測定し、その結果を利用して感光ドラム表面の電位を均一に保つ様にフィードバック制御を行う機能素子を画像形成装置に搭載することが、行われている。
【０００３】
この様な目的で用いられる電位測定装置に対して、要求される機能の一つとして、測定対象の表面電位を非接触で測定する機能が挙げられる。なぜなら、電位測定装置が、感光ドラム表面に接触すると感光ドラム表面の電位分布が均一でなくなり、形成される画像に乱れが生じる原因となるからである。
【０００４】
非接触式の電位測定装置の測定原理としては、測定対象とこれに対向して配置される検出電極との間の静電容量を微小に変動させることにより、測定対象の表面電位に比例した振幅を有する電流信号を得る方式が利用されている。
【０００５】
非接触式の電位測定装置の電位測定原理を以下に説明する。
或る電位を有する測定対象の表面と電位測定装置に内蔵される検出電極との間に生じる電界により、検出電極には測定対象の表面電位Ｖに比例した電気量Ｑの電荷が誘起される。ＱとＶの関係は次式（1）で表される。
Ｑ＝ＣＶ  ・・・（1）
ここで、Ｃは検出電極と測定対象の表面との間の静電容量である。式（1）より、検出電極に誘起される電気量Ｑを測定することで測定対象の表面電位が得られることが分かる。
【０００６】
しかし、検出電極に誘起される電気量Ｑを高速且つ正確に直接測定することは実際には困難である。そこで、実用的な方法として、検出電極と測定対象の表面との間の静電容量Ｃの大きさを周期的に変化させ、検出電極で発生する交流電流信号を測定することにより、測定対象の表面電位を得る方法が用いられている。
【０００７】
上記の方法によって測定対象の表面電位を得られることを以下に示す。静電容量Ｃを時間tの関数で表すと、検出電極で発生する交流電流信号すなわち電位検出信号電流iは、検出電極に誘起される電気量Ｑの時間微分値であることから、式(1)に基づいて次式（2）で表される。
i（ｔ）＝ｄＱ/ｄｔ＝ｄ（ＣＶ）/ｄｔ  ・・・（2）
ここで、測定対象の表面電位Ｖの変化速度が静電容量Ｃの変化速度に対して十分遅い場合には、Ｖは微小時間ｄｔにおいて一定であるとみなすことができる。従って、式（2）は次式（3）で表される。
i（ｔ）＝ｄＱ（ｔ）/ｄｔ＝Ｖ・ｄＣ（ｔ）/ｄｔ  ・・・（3）
【０００８】
式（3）より、検出電極で発生する電位検出信号電流iの大きさは測定対象の表面電位Ｖの1次の関数であるから、交流電流信号の振幅を測定することにより測定対象の表面電位を得ることが可能である。また、式（3）より、静電容量Ｃの変化速度が同じならば、測定対象の表面電位に対する交流電流信号の大きさ、すなわち電位測定装置の感度は、静電容量の変化量に比例することが分かる。
【０００９】
上述した様に、測定対象の表面の電位Ｖを測定するのに際し、検出電極上に現れる電荷量Ｑを正確に測定するには、検出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。この容量Ｃの変調方法としては、検出電極と測定対象間の距離ｘを周期的に変えるものがある。検出電極と測定対象の表面との間の距離を周期的に変化させる手段の一つとして、振動体の先端に検出電極を配置し、振動体を測定対象の表面に垂直な方向に振動させる手段が挙げられる（後述の実施形態を参照）。
【００１０】
検出電極と測定対象間の距離ｘを周期的に変える理由は、検出電極と測定対象の表面との間の静電容量Ｃは近似的に次式（4）で示される関係にあるからである。
Ｃ＝Ａ・Ｓ/ｘ  ・・・（4）
ここで、Ａは物質の誘電率などに係る比例定数、Ｓは検出電極の面積、ｘは検出電極と測定対象の表面との間の距離である。式（4）より、距離ｘが周期的に変化すると静電容量Ｃも周期的に変化することが分かる。ただし、ＡとＳは一定であるとする。
【００１１】
しかし、上記距離を変化させることで、静電誘導により検出電極に励起される電荷の変化を電流として検出する電位測定装置では、測定対象と検出電極の距離（変化の基準となる中立距離）に敏感であり、この距離が測定精度、分解能に強く影響を及ぼす。検出電極の測定対象に対する距離は周期的に変化するが、本明細書において、検出電極が基準となる中立位置にあるときの測定対象と検出電極の距離を中立距離と呼ぶ。上記中立距離は理想的には一定の距離に保たれるべきであるが、実際は画像形成装置の動作時の振動や、感光ドラムの偏心回転、画像形成装置内の各構成部材間の距離の経時的又は熱による変化等によって変動する。このように中立距離が変化すると、電位測定装置の測定値が真の値からずれたものとなる。即ち、測定電位は中立距離の変化に依存して変動する。
【００１２】
従って、従来の電位測定装置では、測定対象との距離依存性を排除するために昇圧回路部を用い、それをフィードバック制御している。こうした従来の代表的な構成では、測定対象の電位の情報を、検出電極を含む検知回路部で検知した後、増幅回路部で信号を増幅する。そして、増幅回路部から得られた信号に対して、検波回路、昇圧回路部を介して検波、昇圧を行い、その電圧をフィードバック電圧として、シールド線を介して検知回路部に電圧を印加する。こうして、測定対象の電位との平衡点を求めることで、該検知回路部に印加した電圧を測定対象の電位とし、距離の依存性を排除している（特許文献1参照）。
【特許文献１】特開平7−244103号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来の上記の如き電位測定装置では、測定対象と検出電極との距離依存性を排除するために高電圧の電源を用い、それをフィードバック制御するため、応答性が低く、高速な測定ができない。なお、距離ｘと静電容量Ｃは上記式（4）の関係にあるので、距離依存性を排除することと静電容量依存性を排除することとは、等価の意味を有する。
【００１４】
また、従来の上記の如き電位測定装置では、検出電極を含む検出器全体の電位が測定に影響するため、測定における空間的な分解能が荒くなり、測定対象の電位を細かく測定することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題に鑑み、中立距離を基準として検出電極と測定対象との距離を一定周期で変化させることにより、静電誘導で検出電極に励起される電荷の変化を電流変化に係る信号として検出する本発明の電位測定装置は、次の構成を有する。すなわち、第1検出手段と、第2検出手段と、演算手段とを有する。前記第1検出手段は、前記電流変化の周期の基本周期に係る信号とその2倍の2倍周期に係る信号を検出する。前記第2検出手段は、前記中立距離の状態にある検出電極と測定対象との間の静電容量に係る情報（前記中立距離に係る情報と言ってもよい）を検出する。前記演算手段は、前記第1検出手段の検出結果と前記第2検出手段の検出結果に基づき、前記中立距離及び静電容量の影響を排除して測定対象の表面電位を算出する。
【００１６】
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、該電位測定装置より得られる出力信号を処理する信号処理手段と、画像形成手段を備える。前記電位測定装置は、前記画像形成手段の電位測定の対象と対向して配置され、前記画像形成手段は、前記信号処理手段の信号処理結果を用いて画像形成の制御を行う。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電位測定装置では、前記基本周期に係る信号とその2倍の倍周期に係る信号及び前記静電容量に係る情報という複数の検出結果を演算処理して、測定対象の表面電位を測定対象と検出電極との距離依存性なしに測定する。従って、上記従来技術における高電圧の電源の如き構成要素を用いる必要がないので、比較的高速な応答性を有し、精度、空間分解能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の原理を説明しつつ本発明の第1の実施形態を説明する。図1は本実施形態の概念的な構成を示す。図1の構成において、測定対象2の電位の影響により検出電極1に誘導電荷が誘導される。このとき、測定対象2と検出電極1の中立距離をdとする。検出に際しては、任意のアクチュエータを用いて、変位（振幅）Δと周波数ωでもって検出電極1を測定対象2に対して振動させる。すなわち、検出電極1をΔｓｉｎ（ωｔ）で振動させる。すると、検出電極1に誘導される誘導電荷が変化し、その変化は電流として出力検出部3に流れる。実際には、電流変化は、信号処理手段を用いてインピーダンス変換、検波、増幅、整流されることにより、電流変化に係る信号である測定対象2の表面電位の測定信号として出力検出部3で検出される。
【００１９】
このとき、上記式（4）においてｘ＝d＋Δｓｉｎ（ωｔ）と置き、Ｃを正弦波関数の級数で表すとき、式（4）のＣは近似的にｓｉｎ（ωｔ）を含む項とｓｉｎ（2ωｔ）を含む項で表される。従って、Ｃを時間微分して得られる上記式（3）の検出信号電流iも、ｓｉｎ（ωｔ）を含む成分とｓｉｎ（2ωｔ）を含む成分を持つ。よって、この信号を周波数で分離し、基本周波数（ω）の出力（振幅）をＶ1、その2倍の2倍周波数（2ω）の出力（振幅）をＶ2とすると、その比の値は、ｓｉｎ（ωｔ）を含む成分とｓｉｎ（2ωｔ）を含む成分の係数からΔ／dと計算される。これらＶ1とＶ2は、周波数分離を行うフィルター手段を含む出力検出部3で構成される第1検出手段で検出される。
【００２０】
図3は信号波形を説明する図である。図3（b）は、基本周波数の波と2倍周波数の波が加算された信号波形を示し、検出電極1から得られる信号はこの加算された波形となる。図3（a）は、図3（b）の信号をフィルター等を用いて基本波と2倍波に分離した後のＶ1とＶ2に係る波形を示す。なお、横軸は位相を表し、縦軸は適当な単位による振幅強度を表す。
【００２１】
従って、Ｖ1とＶ2の出力と、アクチュエータの変位Δと、測定対象2と検出電極1との中立距離dの関係は、上述した理由により次式で与えられる。
Δ／d＝Ｖ2／Ｖ1  ・・・（5）
【００２２】
一方、上記式（3）の関係から、被測定電位Ｖと基本周波数の出力Ｖ1との関係は次式で表される。
Ｖ1＝Ｃ×Ｖ×Δ×ω／d  ・・・（6）
ここで、Ｃは検出電極1と測定対象2との間の静電容量（中立距離におけるもの）である。
【００２３】
よって、式（5）と式（6）から、測定対象2の電位Ｖは次式で表される。
Ｖ＝（Ｖ1×Ｖ1）／（Ｖ2×Ｃ×ω）  ・・・（7）
【００２４】
ここで、参照電源4が検出電極1に印加する電圧をＶｒとし、検出電極1を上記の如く振動させた状態で検出される基本周波数の出力をＶ1ｒ、2倍周波数の出力をＶ2ｒとすると、式（7）と同様に、次式が得られる。
Ｖ＋Ｖｒ＝（Ｖ1ｒ×Ｖ1ｒ）／（Ｖ2ｒ×Ｃ×ω）  ・・・（8）
この際、Ｖ1ｒとＶ2ｒは、周波数分離を行うフィルター手段を含む出力検出部3及び参照電源4で構成される第2検出手段で検出される。これらＶ1ｒとＶ2ｒは、前記中立距離の状態にある検出電極1と測定対象2との間の静電容量に係る情報（すなわち前記中立距離に係る情報）である。
【００２５】
以上の関係式から測定対象2の電位Ｖは、Ｃを含まない次式で与えられる。
Ｖ＝Ｖｒ／（（Ｖ1ｒ／Ｖ1）2×（Ｖ2／Ｖ2ｒ）−1）  ・・・（9）
このＶは、上記第1検出手段と第2検出手段による検出結果に基づいて演算処理を行うマイクロプロセッサーなどの演算手段で算出される。
【００２６】
こうして、検出電極1を振動させた状態において上記第1検出手段と第2検出手段で測定できる検出結果（電圧）のみで、Ｃやdとは関係なく測定対象2の電位が測定できる。
【００２７】
以上の原理は、後述の第2の実施形態において、第2検出手段を構成する発振回路を用いてＣないしdを求め、上記式（7）中のＣを消去することで、第1検出手段である出力検出部3で測定できる電圧のみで測定対象2の電位を算出する原理と同じである。
【００２８】
図2は上記第1の実施形態のより具体的な構成を示す。この構成においても、測定対象101からの静電誘導で検出電極102に電荷が誘導される。ここでは、検出電極102を一定の周期で振動させるために、検出電極102を担う片持ち梁103の根元にピエゾ圧電素子104を貼り付けている。片持ち梁103は、根元において固定台105に固定されている。ピエゾ圧電素子104は発振器106で駆動される。
【００２９】
これによって、片持ち梁103の振動を共振周波数で持続させ、検出電極102を安定した一定周波数、一定振幅で駆動することができる。検出電極102からの電流の変化は、基本周波数フィルター107と2倍周波数フィルター108を通してそれぞれの周波数の成分に分別される。そして、アナログ／デジタル変換機109、110でそれぞれデジタル値に変換される。これらデジタル値はマイクロプロセッサー111に入力されて、記憶される。
【００３０】
一方、検出電極102を安定した一定周波数、一定振幅で駆動した状態で、参照電源112を駆動して検出電極102に参照電圧を印加し、測定対象101との間の電位を変化させる。このときも、基本周波数フィルター107と2倍周波数フィルター108の出力をアナログ／デジタル変換機109、110でそれぞれデジタル値に変換し、マイクロプロセッサー111に入力して、記憶する。
【００３１】
こうして記憶された検出結果に基づいて、マイクロプロセッサー111で上記式（9）に従って演算処理を行うことで、Ｃやdに依存しない測定対象101の電位を測定することができる。
【００３２】
上記片持ち梁103の如き振動板は、圧電素子による駆動力の他、電磁力や静電力による駆動力でも振動させられる。電磁力による場合は、例えば、振動板上に磁性体が設けられ、その付近の固定側に電磁コイルが配置される。そして、駆動信号源から電磁コイルに駆動電流を流すことによって、振動板が所望の周期で振動させられる。静電力による場合は、例えば、振動板上に電極が設けられ、その付近の固定側に対向電極が配置される。そして、駆動信号源から対向電極に駆動電圧を印加することによって、振動板が所望の周期で振動させられる。
【００３３】
次に、図4は、上で言及した本発明の第2の実施形態の構成概念を示す図である。第1の実施形態の参照電源4のところが発振回路5になっている。その他の構成は、第1の実施形態と同じである。
【００３４】
この発振回路5は、第2検出手段を構成し、前記中立距離の状態にある検出電極1と測定対象2の間で形成されるキャパシタンス（Ｃ）と、既知のインダクタンス（Ｌ）と、周波数可変電源を持つ共振回路を含む。共振回路は、例えば、直列又は並列共振回路である。直列又は並列共振回路において、電源の周波数を変化していって、インダクタンスの端子間或いは並列回路の端子間に共振時の電圧が発生するところの周波数（f）を検出する。これにより、f＝1／（2π（ＬＣ）1／2）の関係から静電容量Ｃが算出できる。この際、検出電極1は振動させないで中立位置に静止させておく。上記静電容量Ｃの算出は、発振回路5の周波数可変電源を制御する手段や、共振時の電圧を検出してその時の周波数（f）を検出する手段などを含む制御手段から、マイクロプロセッサーなどの演算手段に上記周波数（f）が出力されて、そこで実行される。
【００３５】
こうして、第2検出手段を構成する発振回路5を用いてＣないしdを求め、上記式（7）中のＣを消去する。これにより、第1検出手段である出力検出部3で前述した方法で別途測定しておいた検出結果（電圧）のみを用いて、測定対象2の電位をマイクロプロセッサーなどの演算手段で算出することができる。
【００３６】
以上より、検出電極1と測定対象2から構成される静電容量を発振回路の一部として用いて発振周波数を測定することで静電容量Ｃを知ることができ、これを使って演算処理することで上記距離ないし静電容量の影響を排除することができる。
【００３７】
発振回路としては、検出電極1と測定対象2の間で形成されるキャパシタンスを測定するための4アームブリッジである共振ブリッジを用いることもできる。共振ブリッジにおいては、並列又は直列に接続されたキャパシタンス（Ｃ）と既知のインダクタンス（Ｌ）は周波数可変電源に接続される。この場合も、共振が起こる周波数（f）を検出して、f＝1／（2π（ＬＣ）1／2）の関係から静電容量Ｃが算出できる。
【００３８】
次に、本発明の第3の実施形態として、前記電位測定装置を用いた画像形成装置を説明する。
【００３９】
本実施形態の画像形成装置の構成を図5に示す。感光ドラム11の周辺に、帯電器制御部12により制御可能な帯電器13、本発明の電位測定装置14、露光器15、現像剤供給器16が設置されている。感光ドラム11の帯電量を制御する機構は、帯電器制御装置12、帯電器13、本発明の電位測定装置14で構成されており、帯電器13には帯電器制御装置12が接続され、更に帯電器制御装置12には本発明の電位測定装置14が接続されている。
【００４０】
本実施形態の画像形成装置の基本的な動作原理を以下に説明する。
帯電器13で感光ドラム11の表面を帯電し、露光器15を用いて感光ドラム11の表面を露光することにより潜像が得られる。この潜像に現像剤供給器16により現像剤を付着させることにより、潜像が現像される。この像を、被印刷物体送り装置17と感光ドラム11で挟まれた被印刷物体18に転写した後に、被印刷物体18上の現像剤を固着させる。これらの工程を経て被印刷物体18上に画像が形成される。この構成では、帯電器制御装置12が信号処理手段を構成し、帯電器13、露光器15、感光ドラム11などが画像形成手段を構成する。
【００４１】
この構成において、感光ドラム11の帯電量を制御する機構の動作原理を説明する。本発明の電位測定装置14は、帯電後の感光ドラム11の表面電位を測定し、感光ドラム11の表面電位に関わる信号を帯電器制御装置12に出力する。帯電器制御装置12は、感光ドラム11の表面電位に関わる信号に基づいて、帯電後の感光ドラム11の表面電位が所望の値になる様に帯電器13の帯電電圧をフィードバック制御する。これにより、感光ドラム11の安定した帯電が実現され、安定した画像形成が実現される。
【００４２】
上記の如く距離依存性を排除した高性能な本発明の電位測定装置14と、これからの出力信号を処理する信号処理手段である帯電器制御装置12と、画像形成手段を含む本実施形態では、画像形成手段が、信号処理装置12の信号処理結果に基き画像形成の制御を行う。こうして、画像形成装置に、本発明の電位測定装置を用いることで、画質の安定化を図ることが精度良く且つ安定的に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第1の実施形態の概念構成を示す図。
【図２】第1の実施形態のより具体的な構成を示す図。
【図３】検出電極からの電流の変化の基本波と2倍波、及びこれらを加算した波の波形例を示す図。
【図４】本発明の第2の実施形態の概念構成を示す図。
【図５】本発明の第3の実施形態における画像形成装置の構成を示す図。
【符号の説明】
【００４４】
1、102    検出電極
2、11、101    測定対象（感光ドラム）
3    第1検出手段、第2検出手段（出力検出部）
4、112    第2検出手段（参照電源）
5    第2検出手段（検出電極と測定対象を共振回路として含む発振回路）
12    信号処理手段（帯電器制御装置）
13    画像形成手段（帯電器）
14    本発明の電位測定装置
15    画像形成手段（露光器）
16    画像形成手段（現像剤供給器）
107    第1検出手段、第2検出手段（基本周波数フィルター）
108    第1検出手段、第2検出手段（2倍周波数フィルター）
111    演算手段（マイクロプロセッサー）
【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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