(57)【要約】【課題】信頼性が高く、小型且つ低コストのプローブを提供することである。【解決手段】電界プローブは、動作構成において、少なくとも１個の検知素子または測定電極１と、少なくとも１個の適当に構成された基準電極６と、検知素子または測定電極１に接続されプローブの出力を示すように回路構成された読み出し装置とを含み、少なくとも１個の検知素子１が分離された複数の検知素子１の場合に検知素子１の各々が基準電極６により少なくとも実質的に囲まれており、分離された検知素子１の分離距離（検知素子間分離）は、検知素子１が対象表面に合わせて配置された際に、検知素子１間で相互干渉が殆どまたは全く生じない距離である。【選択図】図１
2008203256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界プローブであって、動作構成において、少なくとも１個の検知素子または測定電極と、少なくとも１個の適当に構成された基準電極と、前記検知素子または測定電極に接続され前記プローブの出力を示すように回路構成された読み出し装置とを含み、前記少なくとも１個の検知素子が分離された複数の検知素子の場合に前記検知素子の各々が前記基準電極により少なくとも実質的に囲まれており、前記分離された検知素子の分離距離（検知素子間分離）は、前記検知素子が対象表面に合わせて配置された際に、前記検知素子間で相互干渉が殆どまたは全く生じない距離である、電界プローブ。
【請求項２】
高解像度多機能電子走査型電界プローブであって、動作構成において、基準電極と、単一の実装体内で互いに近距離または近接して分離配置された少なくとも２個の検知素子とを含み、前記検知素子の断面寸法がミクロンサイズまたはサブミクロンサイズであり、前記サブミクロンサイズの検知素子は最大解像能力を有するかまたは最大解像能力に到達するように構成され、前記検知素子は並んで移動するように且つ対象サンプルを走査する間は実質的に同一の経路を移動するように配列されており、前記解像度は約１〜１００ｎｍの範囲にあり、前記検知素子はプローブ結果を読み出すべく電位計に動作可能に接続されており、前記検知素子は適当に構成された基準電極によって少なくとも実質的に囲まれており、前記検知素子間の距離は前記検知素子の直径の少なくとも２倍であり、前記適当に構成された基準電極は、管、パイプ、プレート、レールおよびこれらの組み合わせからなるグループから選択された形状を含む、高解像度多機能電子走査型電界プローブ。
【請求項３】
少なくとも１個の検知素子を提供するステップを含む高解像度電子走査型プローブを製造する方法であって、少なくとも２個の検知素子を用いる場合には基準電極によって前記検知素子を実質的に囲むステップと、前記検知素子を前記検知素子間で相互干渉が殆どまたは全く発生しないように相互干渉を減少または防止する距離関係に分離配置するステップとを含み、前記検知素子は約１ナノメートル〜１００マイクロメートルの直径を有し、前記基準電極は導電性を有し、前記基準電極はパイプ、管、プレート、レールまたはこれらの組み合わせからなるグループから選択された適当な形状をなしている、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記基準電極はプレート形状であり、前記プローブの製造アセンブリは、基準電極であって多層サンドイッチプローブの最も外側の層として少なくとも２枚の導電プレートを準備するステップと、前記プレートの内側に、接着剤が塗布された誘電体フィルムの薄い層を配置するステップと、前記接着剤の上に前記検知素子を配置するステップと、得られたアセンブリを閉じることによって多層サンドイッチ構造を形成するステップとを含み、前記誘電体フィルムは、カプトン（登録商標）、カイナー（登録商標）、テフロン（登録商標）、ポリエステル、ポリイミド、シリコンおよびこれらの組み合わせからなるグループから選択され、前記接着剤は感圧接着剤であり、前記プレートは導電性を有する金属または非金属である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電界プローブに関し、より具体的には強度の小さい信号や対象となる信号における微小変動を検知する走査型電界プローブに関する。オプションとして、単一の実装体（mounting）に含まれる複数の検知素子（sensing  element）を用いてもよい。
【０００２】
表面電位もしくは表面電圧の測定、表面電位分布の測定、表面の電荷の極性もしくは密度の測定、または電荷源から発せられた電流密度の測定が望ましい場合が多くある。また、静電気帯電装置の効率の定量化が必要とされる場合がある。本発明は、例えば、帯電した表面の電荷密度を、分析者が注目するサブミクロン範囲の解像度レベルで効率的に測定するプローブを扱う。
【０００３】
本プローブは種々の帯電面に効果的に利用できるが、説明を理解し易いように、電子写真等の静電マーキング（electrostatic  marking）システムに利用する場合について述べる。
【背景技術】
【０００４】
静電複写として、Ｃ．Ｆ．カールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）による米国特許第２，２９７，６９１号に最初に記載された電子写真の処理が最適な例である。この処理では、最初に光導電体の表面に均一に静電荷を用意し、次いで画像に関連して励起させた電磁放射で光導電体を露光することにより光導電体のうちで照射領域の電荷を消滅させる一方で非照射領域の電荷は保持させ、これにより静電潜像を形成する。当該静電潜像は次いで、当分野で「トナー」と呼ばれる、微細化された電子顕微鏡レベルのマーキング粒子の堆積により、現像すなわち可視化される。トナーは通常、帯電されている層の領域に引き寄せられることにより、静電潜像に対応するトナー画像を形成する。この粉末画像は次いで、紙等の支持表面に転写することができる。転送された画像はその後、熱定着により支持表面に永久的に固定できる。光導電層を均一に帯電させてから当該層を光と陰とによる画像に露光して潜像を形成するのではなく、適切な処理、例えばバーゲン（Ｂｅｒｇｅｎ）他による米国特許第５，２５７，０４５号に記載され当分野でイオノグラフィ（ionography）として知られるイオン書き込みにより、画像構成物内にある絶縁または光導電絶縁部材を帯電させて潜像を形成することができる。粉末画像転写ステップを省略する場合、粉末画像を結像部材に固定してもよい。あるいは、最終的な所望の媒体に転写および固定する前に、トーン画像を中間転写ベルトの表面等の中間体の表面に転写する、または中間体の表面から転写することができる。
【０００５】
静電荷を感光部材の広い領域に印加するいくつかの方法が知られており、例えば、金属ワイヤ、鋸歯状のピン、絶縁体がコーティングされたワイヤアセンブリ、およびバイアスが印加された帯電ローラーまたはベルト等による単一のコロナ帯電構造等のイオン発生装置を利用する方法が知られている。複写機および／またはプリンタが毎時３０００枚を超えるコピー速度で出力が可能な高速な電子写真複写機器の昨今の開発では感光性の結像面、中間転写ベルトおよび関連するロール、融着および加圧ロールおよびベルト、並びに電子写真プリンタにおいて最も可動的な表面等、複数の表面の帯電を正確に管理することが必要とされ、最適な画質および信頼性の高いプリンタ動作を提供するために均一且つ信頼性の高い帯電および帯電制御システムが必要とされている。また、いくつかのコロナ帯電ステーションが必要とされるカラー複写機、プリンタ、および多機能装置（複写／印刷／ファックス送信を行なう装置）の出現に伴い、均一な静電荷を蓄積させるための信頼できる手段に対する要求が増している。最新のデジタルハーフトーン処理アルゴリズムの出現および進歩に伴い、プリンタ出力の良好なハーフトーン品質を保証するために、光受容体の帯電が均一であることがこれまで以上に重要となっている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第２，２９７，６９１号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２５７，０４５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、静電写真または静電複写処理において、多くのコロトロン（corotron）またはディコロトロン（dicorotron）が光受容体周辺の各種ステーションで用いられている。例えば、ディコロトロンは、光受容体に対し最初に均一な電荷を配置するステーション、転写または前転写（pre-transfer）ステーション、洗浄または前洗浄（pre-cleaning）ステーション、消去ステーション等で用いられる。高速度で移動する多数の表面を高い信頼性を以って均一に帯電させる必要がある今日の高速複写機において、コロトロンの誤動作または汚染により、これらを用いる電子写真エンジンの出力に線条や不均一さが生じ易いため、全てのコロトロン（またはディコロトロン）が一貫して正常動作する状態にあることが重要である。カラーの複写機やプリンタを含む高速エンジンのあるものは、複数のディコロトロン装置を使用し、Ｘｅｒｏｘ  ｉＧｅｎ３カラープレス等の画像対画像技術を用いるエンジンでは１６個もののコロトロンまたはディコロトロン装置を含んでいてよい。各々のコロトロン装置を正常動作状態に維持することは、これらの複雑な高速度カラーエンジンを適切に機能させるために重要である。上述のステーションで静電荷を蓄積させるために１個または複数個のコロナ発生装置（群）（「コロトロン」または「ディコロトロン」）を用いることが一般的である。これらの電子写真帯電装置の均一性を定量化するために、信頼性が高く、小型且つ低コストのプローブが必要とされている。
【０００８】
更に、電子写真帯電装置の出力の巨視的および微視的な均一性を測定および監視することが重要な場合があり、また、最大値、最小値、局所変動および／または巨大で滑らかなもしくは不規則なもしくはトーン付きの表面における平均サンプル電荷密度等のパラメータの測定が必要とされる場合がある。近接して置かれた電荷間の差異が、所望の表面状態の決定要因である場合が多く、一般に現在の測定システム能力を超えているため、少なくとも典型的なトナー粒子の大きさ（５〜１０マイクロメートル）のレベルまで、好適には約１００ナノメートル（ｎｍ）の解像度の範囲、更には１０ｎｍ以下まで検知解像度を上げる必要がある。これを行なう場合、高解像度検知能力により、例えば２００６年１２月１４日出願のヘイズ（Ｈａｙｓ）他による米国特許出願第２００６０２８０５２４号に記載されているナノ構造の帯電装置からの電荷放出等のように帯電装置自身からの直接的マッピングだけでなく、複数の表面上または表面内における「ホット」または「コールド」スポット等の近接配置された不均一な電荷を含む微視的帯電領域の直接的マッピングが可能になる。また、例えば、光導電上または開放された環境で動作する必要がある他の注目する表面上の広い領域内における１個以上の微視的領域の同時マッピングを可能にするために、装置をより効率的且つ信頼性の高いものにする必要がある。同様に、検知装置を小型、低コスト、安全、および製造容易にする必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施形態において基準平面または参照平面に近接して含まれる少なくとも１個の小型検知素子を使用する高解像度且つ多機能走査型電界プローブを以下に示す。本プローブは、帯電面に隣接して、但し直接的には接触しないように配置された場合、局所電荷に比例する出力信号を生じることができる。本明細書において「局所」電荷とは、センサの検知範囲内に存在する電荷または混合電荷の領域（area）として定義される。通常、局所電荷の正確な定量化は重要な課題である。当該領域の外に存在する電荷は、「遠方界（far-field）」電荷として定義され、測定に際してノイズの要因となり得るため、分析者は特段注目しない。オプションとして、適切な基準平面を有する複数の検知素子を単一の実装体（mounting）内で互いに近接して並べることができる。検知素子の断面寸法は大きくてもよいし、またはミクロンサイズであってもよいが、最大解像度能力を実現するにはサブミクロンサイズであることが好適である。「ミクロンサイズ」とは約１〜約１０００マイクロメートルの範囲を意味している。「サブミクロンサイズ」とは１マイクロメートル未満〜約１ナノメートル（ｎｍ）未満の範囲を意味する。一実施形態において検知素子のペアを並べて、注目するサンプルを走査する間に直列且つ正確に同一経路を移動させることができる。あるいは、検知素子のペアを固定的に配置して、静止または移動している広い領域のサンプルの２つの隣接領域を観察することができる。各素子または２個以上の素子の組み合わせからの出力信号を各種の方法で処理することにより、カスタマイズされたデータフロー、設定および分析が可能になる。例えば、一対の検知素子の各素子または一対のセンサの各センサを、差動アルゴリズムを実行すべくプログラムされて適切に動作可能な差動増幅器に結合することにより、関心対象である位置および／または増幅パラメータの組合せを表わす単一の出力信号を生成することができる。差動コンパレータ電子装置の出力は、ソリッドステート演算増幅器により増幅され、必要に応じてフィルタリングされて、電位計等の計測装置に表示するために必要なレベルおよび品質の信号を生成することができる。ソリッドステート演算増幅器は、寸法が極めて小さく、センサと同一の実装体または取付体の中に直接搭載可能なため、小型で一体型されたアセンブリを構成することができる。本プローブは任意の適切な電位計と共に用いることができ、例えばオハイオ州クリーブランドのキースリーインスツルメンツ（Ｋｅｉｔｈｌｙ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社製の６１０ｃおよび６５１７シリーズの電位計と共に用いることができる。測定回路の設計および詳細仕様に応じて、適当な電圧計、電流計および任意の適当なクーロン（電荷）計を用いてよい。一組のセンサの両方が、近接した時間および連続した空間（spatial  sequence）で同一対象を測定するので、任意の急激に変化する電荷および／または形状的特徴の相対的な描像が増幅され、信号差分機能（signal  differentiation  function）の結果得られた出力から各々のセンサが検知したあらゆるノイズを排除することができるため、信号対ノイズ比および検知能力が向上する。アプリケーション要件に応じて、複合出力信号の更なる増幅およびフィルタ��ングを実施することができる。本明細書に述べる本発明は、プローブ素子を必要に応じて小型化し、信号の適当な差分（differentiation）／増幅／フィルタリングの使用と組み合わせることができ、これにより１〜５００ｎＡ／ｃｍ2以上の範囲に含まれる所望の信号品質および解像度が得られるようにするものである。更に、信号処理用の電子部品の一部または全部を、センサを含むパッケージに直接組み込むことにより、小型で、製造効率が高く、低コスト、堅牢（robust）且つ一体的なアセンブリを形成することができる。基準電極または参照電極の目的は、各検知素子を包むことにより、測定を妨害する恐れのある不要な浮遊電位（stray  potential）から素子を確実に隔離すなわち絶縁する基準電界を効果的に確立することである。基準電極は、丸形、円形、四角形、長方形の管（tube）、パイプ（pipe）、シェル（shell）（パイプまたは管の周囲の一部分として定義できる）を含む任意の適切な形状で構成することができる。あるいは、並列に並んだ、規則的または不規則的な形状の、導電性または部分的に導電性のラインまたはレールを含んでいてよい。基準電極はまた、検知素子が自身の信号を得て、センサの焦点を正確な「局所」領域に効果的に合わせる領域を定める。基準電極は通常、接地点に接続されるが、必要に応じて、適当な直流、交流または交流直流混合のバイアスによりバイアスが印加されていてもよい。
【００１０】
本発明のプローブの一実施形態において、２個のワイヤ電極の円形端により形成された２個の１０マイクロメートルの検知素子の一端は、短いフックアップワイヤとして用いられる、より大きな３０マイクロメートルのタングステン線に接続されている。これらの検知素子は、近接して平坦に並ぶように組み立てられていて、高解像度プローブを含む多層サンドイッチ構造内で堅牢に保持される。サンドイッチ構造の最も外側の層は、任意の適切な導電プレート材、本実施形態では薄いアルミニウムシートで作られており、その上に、一方の側にカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）接着テープとして知られる感圧接着剤（ＰＳＡ）を有する適当な誘電体フィルムの薄い層が層をなしている。カプトンテープは、オハイオ州サークルビル（Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅ）４３１１３のデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社の製品である。検知素子は次いで、導電プレートの内面の各々にＰＳＡ層フィルムを用いて接着されることにより、複数の層を固化させて堅牢な単位プローブに形成される。更なる製造工程の詳細について図面を参照しつつ述べる。
【００１１】
一実施形態において小領域の電界を測定する場合に、直径約５マイクロメートルの円形の小型電界プローブが提供される。当該プローブは周辺金属である管状の基準電極から電気的に絶縁されており、この基準電極は共通接地点に接続されており、シールドとして機能することにより検知素子が検知する局所領域を効果的に定める。ナノアンペアおよびピコアンペアの範囲の電流を測定可能な高精度電位計が、絶縁された検知電極と接地点との間に接続されて用いられる。当該プローブはｘ−ｙ位置走査機構（x-y  positional  scanning  mechanism）に組み込まれていて、電極を被試験素子（ＤＵＴ（device  under  test））の帯電面上で正確に動かすことにより、注目する表面の表面電位または電荷密度を測定する。本発明のプローブは、少なくとも１個、好適には２個の測定電極（検知素子）および各検知素子の基準電極を含んでいる。基準電極の個数は少なくとも１個であるが、所望のセンサの設計および複雑さに応じてより多くてもよい。一般に、各測定電極を囲むまたはシールドするのに十分な基準電極が必要である。また、一般に、検知電極と基準電極との間の隙間を埋めるのに適した絶縁媒体を備えている必要がある。絶縁媒体は、空気、絶縁プラスチックおよびポリマー、セラミック等を含む任意の適当な誘電材料または低損失材料であってよい。導電プレート等の単一の大型基準電極を、複数の測定電極を収容するように構成してもよい。一実施形態において基準電極は測定電極（群）を完全に囲むパイプの形状をなしていてもよいし、または別の実施形態において基準電極は実質的に複数の測定電極を囲むように構成された平面プレートの形状をなしていてよい。あるいは、基準電極は、長さ方向に沿って切断されたパイプの全長から得られた断片状である、２個以上の連続的に並んだシェルで構成することができる。シェルのセグメントは、適当な絶縁層と共に組み立てられて、検知素子を包んで効果的にシールドすることができる。検知素子および関連のアセンブリが、回路基板等の適当な基板部材の上に堆積された薄い金属層を用いて形成されている場合、１個以上の基準素子を同様の処理により類似の金属から堆積させて、検知素子の長さ方向に並行に、且つ適当な距離を空けて配置することができる。測定電極間のクロストークを最小限に抑制または除去するには、各々の検知素子または測定電極の間の距離は一般に、少なくとも個々の測定電極の幅寸法、または円形である場合は直径より大きくなければならず、測定電極の幅または直径の２〜１０倍が好適である。実際には、任意の２個の検知素子間の距離は、これらの検知素子の間で顕著な相互干渉または電気的短絡が生じないことを保証する任意の適当な距離であってよい。本発明の実施形態にとって重要なのは以下の事項である。（ａ）検知素子（群）の大きさおよびこれらの間の距離、並びに検知電極（群）および基準電極（群）間の距離、（ｂ）検知電極（群）および基準電極（群）間の隙間が適切な絶縁媒体を含んでいること、（ｃ）各検知素子または各測定電極が少なくとも実質的に（例えば８０％）基準電極により囲まれている（管状基準電極の場合、測定電極の１００％が囲まれている）こと、（ｄ）少なくとも１個の検知素子が用いられてい��こと、（ｅ）全ての検知素子について、接地点または適切なバイアスに繋がれた十分な基準電極が存在すること。従って、常に基準電極と測定電極との同一の関係があり、あるいは換言すれば、基準電極（群）の領域は、個々のセンサ電極を効果的に包囲、保護、シールド、隔離するのに十分である。
【００１２】
静電マーキングシステムにおいて、線条、斑点、不均一な現像およびその他の画像欠陥の多くの例の原因を辿れば、帯電機構の不均一さ、汚染、もしくは故障、および／または、ＤＵＴ上の静電荷層の欠陥、不完全さ、もしくは汚染にたどり着く。本発明の電界検知プローブは、電位計に適切に接続された本プローブを用いることにより、これらの欠陥を容易且つ効果的に識別することができる。一実施形態において、検知素子または測定電極は、外面全体がニッケルコーティングされた小さい、すなわち直径２〜８マイクロメートルの炭素繊維から作られ、より大きな支持ワイヤ、例えば直径３０マイクロメートルのタングステンワイヤと電気機械的に接続（またはハンダ付け）されて、電位計を含む測定回路に堅牢に接続することができる。相互接続ワイヤの適切な遮蔽は、相互接続用のフックアップワイヤを囲む適当な絶縁界面層および最も外側の導体スリーブで構成することができる。基準電極は、導電性の金属プレート、フィルム、薄片（ホイル）、管またはパイプを含む任意の導電性物質から製造することができる。
【００１３】
当該プローブの各構成要素の大きさと材料は、被試験素子ＤＵＴの要件に応じて異なっていてよい。本発明を用いることにより、帯電装置（コロトロン等）が顧客側で交換可能な装置（customer  replaceable  unit：ＣＲＵ）であり得る最終的な電子写真アセンブリに組み込まれる前に、当該帯電装置が許容可能な帯電均一性を提供することを保証することができる。これにより、ＣＲＵを顧客に向けて出荷する前に、動作中のプリンタでカートリッジの印字試験を行なう必要性が回避される。また、ＣＲＵ再生企業は、ＯＥＭ充填カートリッジ用の交換部品を開発する際、当該プローブを用いてＯＥＭ部品または確立された標準と同等の性能を保証することができる。また、本発明により大きさが小型化されたことで、任意の特定の電子写真エンジン内に搭載可能である。このように、当該プローブをさまざまな間隔で用いて、機械が動作する間、当該機械の各種機能の性能を監視することができる。
【００１４】
一実施形態において、２個の同一検知素子が、上述の基準電極を有する一体型走査型プローブと共平面的に搭載されていて、一様に帯電した表面にわたり走査される場合、各検知素子が検知する局所領域電界を表わす２個の基本的に同一な出力信号を電子回路および計器により抽出することができる。素子をこのように特徴的に配置することにより、信号の処理、表示、または評価に対する少なくとも２つの機会が得られる。例えば、何らかの理由により一方の信号に障害が発生しても、少なくとも１個の使用可能且つ信頼できる信号が生成されるので、実験の質が低下することはない。あるいは、両方の信号が使用可能且つ信頼できる場合には、信号間の空間的または時間的差異に対する洞察を導くことができる。あるいは、一方の検知素子の信号が得られたならば当該信号を供給信号として用いて第２センサの測定素子または基準素子に印加されるバイアスを制御することができる。この場合の第２素子は、対象面上の電位または電荷の一般的なレベルを正確に反映して、一般的な領域状態とは対照的に局所領域信号における極めて微小な変動を効率的に検知することができる。別の実施形態において、単層または単層炭素、窒化ホウ素またはその他の適当な導電ナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノロッド、ナノワイヤにより実装される極めて微小な円形の検知素子の利用が考えられる。ＣＮＴは、直径が約２〜１００ｎｍの範囲にあって、接地点と電気的に接続可能な薄い層（通常は厚さ約２〜５００ｎｍ）として適当な導体が上に形成された厚さ約５〜５００ｎｍの薄い絶縁ポリマー層またはセラミック層等の適当な絶縁層により囲まれている。例えば１μｍ2未満、更には０．１０μｍ2未満の極めて小さいサンプル域を対応する出力信号を生成する必要がある場合、ＣＮＴ検知素子に適当な電気的接続がなされていて増幅およびフィルタリングがなされる。当該センサの複数の層を適当な支持部材に固定することにより、当該アセンブリに堅牢性および／または機械的強度を提供することができる。支持部材は代替的に、一体型の信号処理要素または他の電子部品を含んでいてよく、例えば演算増幅器、差動増幅器、フィルタまたは読み出し装置等を含んでいてよい。対象のプローブの個々の層は、当分野で公知の適当な気体もしくは気相蒸着法、無電解もしくは電解金属電着、これらの組合せ、または他の任意の適当な方法もしくは方法群により製造することができる。提案された製造工程を用いることにより、上述の小型、多層素子を低コストで大量生産することができる。当該装置および上述の方法を用いることにより、対象面の極めて微小な領域に生じる極めて微小な電荷レベルを検知および測定できるものと思われ、例えば、電子写真光受容体等の大きい帯電面内で生じるような、面積が１μｍ2未満、更には１００ｎｍ2未満で１μｍ2当たり１ミリボルト未満の表面電位を検知および測定できるものと思われる。
【００１５】
複数の検知素子（または少なくとも２個の検知素子）を用いる実施形態において、検知素子を注目する表面に合わせて配置する場合、検知素子は少なくとも、当該検知素子間で相互干渉または短絡が殆どまたは全く生じない距離をあけて配置することが重要である。また、検知電極間および検知電極と基準電極との間を分離する空間に適切な絶縁媒体を使用することも重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に、本プローブの実施形態の構成要素の分解図を示す。図１〜図３に２個の１０マイクロメートルの検知素子または測定電極１を示す。検知素子または測定電極１は、直径がより大きなフックアップリード線（hook  up  lead）２（本例では直径３０マイクロメートルのタングステンワイヤ）に結合されている。図３を参照。これらのリード線または導線２は、ハンダ３またはその他の任意の適当な手段により検知素子１に電気機械的に接続されている。リード線２は、電位計等の任意の適当な読み出し装置に任意の適当な方法で取り付けられている。プローブは、約１〜５マイクロメートルの範囲の電子的検知解像能力を有している。検知素子１は、近接した平面的配置で組み立てられており、高解像度プローブ５を構成する多層サンドイッチ構造４（図２参照）内に堅牢に保持されている。図２および図３に示すように、検知素子１の対は、それらの長さ全体に等しいかほぼ等しい間隔９で整列している。同様に、図２に示すように接続リード線２間の間隔は、それらの長さ全体に等しいかほぼ等しい。あるいは、検知素子および接続ワイヤは、長さ方向に１箇所以上の位置で、不均一間隔または可変的な間隔で配置されていてよい（図示せず）。図２を参照するに、サンドイッチ４の最も外側の層は、適切な導電プレート材料または基準電極（または参照電極）６により形成され、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）、カイナー（Ｋｙｎａｒ）（登録商標）またはテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）（登録商標）等の適当な誘電体材料からなるフィルム、薄片、またはテープ層等の薄い層７が積層された薄いアルミニウムシート等により形成されている。オプションとして、一方または両方の側の絶縁層７が感圧接着剤（ＰＳＡ）８を有していてもよい。ＰＳＡ８を用いることにより検知素子１は絶縁層７の最も内側に接着的に取り付けられ、あるいは代替的に、高速硬化エポキシ等の適当な絶縁接着剤（図示せず）の薄い層をこの目的に用いてもよい。ＰＳＡ８等の適当な絶縁接着剤または同様の適当な高速硬化エポキシ接着剤はいずれも多数の層を固定および固化させて図２の堅牢なサンドイッチ構造４となすために用いることができ、これらの接着剤により絶縁層７の最も外側が導電プレートまたは基準電極６の最も内側に固定される。また、図２に、プローブ５の複数のサンドイッチ層４内における検知素子１の相対的な位置と大きさを示す。検知素子１間の間隔９は任意の適当な距離であってよいが、当該距離は本実施形態では製造が簡単に行なえるように、いずれかのセンサ１の直径の約２〜１０倍より大きいだけでなく、支持ワイヤ２の直径よりも大きい。当該間隔９は、検知素子１間で相互干渉が殆どまたは全く生じないことを保証できる。検知素子１間の最大間隔９は、以下のパラメータを含むいくつかの要因に支配される。すなわち、被試験素子全体の大きさ、対象サンプル上の注目領域の大きさおよびそれらの間の距離、ＤＵＴの注目する特徴における変動の相対レベル、個々のセンサ１の大きさ、支持用相互接続部材２の大きさ、素子１間および／または素子２間の接着剤等の絶縁材料の存在、プローブ５の可能な走査長、対象領域内における試験中の特徴の変化���（例えばフリッカ（flickering））、および／または、調べられている電荷または表面電位のレベル、等である。実際には、センサ１間の距離は、最高感度を実現すべく上述のように最小値の近くで選択される。絶縁接着剤等の適当な絶縁媒体が一般的に検知素子１および支持用相互接続部材２に沿って、およびこれらの間に用いられ、これによりアセンブリ５の最も内側の層が堅牢に支持され、機械的振動または素子間のクロストークや電気的短絡が最小限に抑えられる。
【００１７】
図４に、電界プローブの代替的なパイプ状または同軸状の構成を示す。５〜１０マイクロメートルの検知素子１（例えば、コネチカット州スタンフォードのヘクセル（Ｈｅｘｃｅｌ）社製のＨｅｘｃｅｌ  ＡＳ４として知られる市販のマルチフィラメント炭素繊維トウ（繊維束）から抽出された、長さが短い一本の炭素繊維で作られたもの、またはそれと同等物）が用いられ、該検知素子１は、長さ方向に少なくとも１個の導電面を有する導電管または基準電極６内の中心位置に取り付けられている。検知素子１を周辺金属６から電気的に絶縁すべく用いられる絶縁材料７の厚さは、好適には検知素子１の直径の２〜１０倍でなければならない。これにより、ＤＵＴ上の微小な局所領域電位からプローブ５へ向かう非接触電気力線（non-tangent  electric  field  lines）が最小になることが保証されるので、表面上の電荷の正確な測定、またはその間を搬送される電流からの正確な測定が可能になる。図５を参照されたい。
【００１８】
図５に、全体構成における検知素子または測定電極１２同士の関係を示すとともに、ＤＵＴと接地された基準平面または参照平面１５との間で生じる表面電位差（群）により生成される、またＤＵＴと図２の多素子センサ５の検知素子１２との間で生じる表面電位差（群）により生成される、静電場１０，１３の電気力線を示す。本装置の目的は、ＤＵＴ１４とセンサ１２との間の空気ギャップ（air  gap）すなわち空気層１１にわたる電気力線の垂直パターン１３を殆どまたは全く乱さないようにすることである。これにより、検査中の局所領域内にあるセンサ１２（図５で隔離された電極として示される）自体の存在も、いかなる遠方界電位も、測定の正確さや精度に悪影響を及ぼさないことが保証される。図５に、電極１２の幅と、絶縁体１８の幅と、検知電極間隔１６と、周辺基準電極１５との実際的且つほぼ理想的な関係を示し、かかる関係は装置の設計目的を達成可能にする。図６Ａおよび図６Ｂに検知電極および基準電極の更なる形状を示す。実施形態において、金属等の薄い導体層、金属酸化物、導電ポリマー、導電複合材料等、例えば銅、銀、金、白金、錫酸化物、カーボンナノチューブ充填ポリイミド等は、堆積、積層またはその他の任意の適当な手段によりパターン形成が可能であり、図６Ａに示す平行で分離した線状のパターンを形成可能である。図６Ａの検知素子１は、金属プレート構成６上に適当な絶縁層７を含んだ支持基板上に積層された薄い長方形の素子として示されている。検知素子１の少し後方において、検知素子と外部回路（図示せず）との間の相互接続部材として機能する導体２の幅は、外部インターフェース（群）との結合に要するよりも若干広くてよい。基準電極６０は、類似の材料から作られていて、検知素子から適当に離されて平行に配置するのと同様の処理によって基板上に積層される。あるいは、基準電極６０は、任意の適当な形状をなしていてよく、例えば図６Ｂに示す「Ｔ字状の」レールを用いて検知電極１を部分的に囲む形状をなしていてよい。これを行なう際に、図６Ｂのレールの上面は、センサの上面における連続した基準面を含んでいてよく、これにより図１及び図２の多層装置の最上位の層を形成することができる。本明細書に記載しているプローブの全ての実施形態において、基準電極は、管（tube）、パイプ（pipe）、プレート、シェル（shell）、レール、線およびこれらの組み合わせを含む任意の適当な形状をなしていてよい。基準電極について「適当な形状」と言う場合はこれらの形状が含まれる。検知素子の幅または直径は、素子の長さ方向に沿って均一であってもよいし、不均一であってもよい。図５を参照するに、最も重要な点は、ＤＵＴ１４から電極へ向かう非接触電気力線（non-tangent  electric  field  line）１０が最小化されているため、正確な測定が可能になることである。例えば、対象面１７上の不均一に分布する表面電荷や、電子エミッタ面上のホットスポット等の他の特徴によって生じた電流、および／または、それらによって影響を受ける電場の形状を、正確に測定可能になる。
【００１９】
図１、図２、図４および図６の装置の周辺接地材料６は、金属、合金、導電プラスチック等を含む任意の導電材料から作ることができる。絶縁材料７は、気体、ガラス、シリカ、セラミック、特定の金属酸化物、エラストマを含むポリマー、または剛性プラスチックシートを含む任意の適当な絶縁体であってよい。あるいは、ポリエステル（マイラー（Ｍｙｌａｒ）登録商標）、ポリイミド（カプトン）、ポリエチレン、シリコン、テフロン（登録商標）等の薄い可撓性ポリマーフィルムを用いてもよい。絶縁体は、連続または不連続な固体、気体または真空等、任意の適当な状態であってよい。あるいは、図４の電極１，６間に適当な真空状態を生成して密封することにより、空気を除去し絶縁層として機能することができる。絶縁された電極または測定電極１は、極めて微細なワイヤ、ロッド、管または導電繊維であってよく、それらは寸法が均一であってもよいし、先細（テーパ状）であってもよいし、不均一な寸法であってよく、且つ、取扱いや、ハンダ付けまたは接着剤による取り付けを容易にすべく、金属コーティングがされていてもよいし、されていなくてもよい。本発明の装置の動作性の試験に用いたプロトタイプの一つは、厚さ約１ｍｍのアルミニウム製の薄いプレート６を２枚用いて作られた。ポリイミド（カプトン）テープ７の細片（strip）が各プレート６の最も内側の面に取り付けられていて（図１参照）、基準素子６との接触から電極１を絶縁すべく絶縁インタフェースを提供する。電極１は、金属蒸着によりニッケルコーティングされた２本の８マイクロメートルの炭素繊維（Ｈｅｘｃｅｌ  ＡＳ４）からなる。ニッケルコーティングは、繊維にある程度の剛性を与えることにより、コーティングされていない繊維よりも扱い易くする。重要な点は、炭素繊維上のニッケル層によれば、炭素繊維を当該アセンブリのより大きな直径３０マイクロメートルの支持ワイヤ２に容易にハンダ付けできるようになることである。各々の繊維検知素子は、一方のアルミニウムプレートに搭載された感圧接着剤を備えたカプトンテープ上に、所望の位置および間隔で配置され、ＰＳＡが裏打ちされたカプトンテープの同様の層を有するもう一方のプレートが上記一方のプレート上に整列配置されて、電極１の周囲にサンドイッチ４を形成する。また、各種の層を有する２枚のプレート６を互いに固定し、電極１の間および電極とカプトンの間に空気層が存在しないことを保証すべく、絶縁エポキシ８（商用等級として５分硬化エポキシ）を用いた。エポキシ接着材層の硬化に許された時間内に僅かな圧力をアセンブリに加えた。エポキシ８が硬化したならば、アセンブリは、シリコンウェハから集積回路素子を切り出すために通常用いられるタイプの従来型ダイシングソー内に置かれ、ダイヤモンド切削ホイールを用いて切削が行なわれて図２に示すように表面全体にわたり滑らかな面が形成される。この製造工程により、繊維電極１の露出端の表面は、互いに且つ周辺アルミニウム基準素子６と同一平面上にあることが保証される。これを前提に、本実施形態では、２個の同種の検知素子１を走査型プローブと同一平面に搭載して、２個のほぼ同一の出力信号を装置から抽出することができる。当該２個の信号は、��定の空間的な（従って時間的な）ずれ（変位）を除いて、全ての点で同一である。このように特徴的な素子の配置により、信号処理の２つの可能性が与えられる。第一には、重複した個々の信号を単に捕捉および記録し、そのうち１個を用いてもう一方を複製および有効化する（validate）ものである。明らかに、何らかの理由により一方の信号に不具合が生じても、少なくとも１個の使用可能且つ有効な信号が得られるため、実験品質が低下しない。これは、提案する装置の重要な特徴と見られる。
【００２０】
あるいは、個々の信号は微細電子差動演算増幅器に結合することができる。当該増幅器の目的は、各センサが生成する信号を受信し、信号レベル間の差を計算して、注目する位置的、時間的、および／または振幅的なパラメータの比較を表わす単一の出力信号を生じることである。差動コンパレータ電子装置の出力を（ソリッドステート演算増幅器により）増幅して電位計等の計測装置上で表示するのに必要な信号のレベルを生成することができる。更なるオプションは、ＤＵＴの注目する領域を走査する第１のセンサにより取得された信号を用いて、同一領域を走査する第２の検知素子または第２の検知ユニット上の基準素子にバイアスを与えて制御することである。第２の素子を制御するためのフィードバックとして第１の素子を利用することにより、ＤＵＴの表面と多素子検知装置との間の定常状態電位差をゼロ近くにすることが可能になる。このゼロ差分定常状態条件の乱れは容易に検知でき、これを適宜増幅することによりＤＵＴの表面のどこで変動が生じているかを正確に特定することができる。オプションとして、特定された領域を再走査して、その特徴に関する追加的な詳細を取得またはマッピングすることができる。
【００２１】
本発明によれば、将来の製品化に向けて開発中である帯電装置の動作について、また例えば製造品質管理等の他の有益な用途について、微細なまたは微視的な特徴を表すのに効果的な方法が提供される。電子写真カートリッジ再生市場および関連するアフターマーケット領域（after  market  sectors）にサービスを提供する、大規模で競争力の高い業界が存在する。当該業界には、電子写真用部品を特徴付ける機材を提供する企業群が存在する。本発明は、各種の電子写真部品の各種の機能属性を特徴付けるカートリッジ再生機材を開発して販売する企業によって、容易に採用することができる。本発明は、多くの者に利用されることにより、装置を最終的な電子写真アセンブリに入れる前に、帯電装置が許容可能な帯電均一性を提供していることを保証および／または確実にすることができる。このように、顧客に向けて出荷する前に、カートリッジの印字試験を行なう必要がなくなるため、時間と費用を節約できる。また、再生品開発企業は、ＯＥＭカートリッジ用の交換部品の開発中に当該プローブ装置を用いてＯＥＭ部品と同等の性能を保証することができる。
【００２２】
注目すべき事実として、装置自体を極めて小型化できるので、該装置はプリンタ等のより大きな製品の狭い領域または密に詰め込まれた領域において使用可能であるし、また、そのような領域における多様な使用を可能にする点が挙げられる。また、多層一体化設計により、取扱い、環境、または運送時の損傷に対して頑丈であることが保証される。更に、本明細書で示されるようにこれらの装置は大量生産が簡単であるため、当該センサの製造単価を安くすることができる。従って、極めて多くのプローブを各種の研究機関で用いることによって、開発中の電子写真プロセスに、よりよい洞察を与えて、通常必要とされる開発期間およびリソースを大幅に削減できるものと考えられる。同様に、これらの装置の高解像度機能を、多くのプリンタ製品内のプロセスセンサとして埋め込むことができ、高度な検知および監視システムの基礎として用いることができる。
【００２３】
なお、本願出願人が保有する同時係属出願には、静電マーキング処理においてコントローラおよびチャージャに用いられる電子プローブが記述および開示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るプローブの実施形態の構成要素の分解図である。
【図２】図１に示すプローブ素子の組み立て正面図である。
【図３】電位計まで伸びて接続されるワイヤに検知素子を取り付けた状態を上面斜視図である。
【図４】本発明に係るプローブの実施形態の代替的な同軸管内ロッド状構成を示す断面図である。
【図５】被試験素子の表面と基準素子および検知素子の表面との間に存在する表面電位差によって定められる電界を電気力線で示した断面図である。
【図６Ａ】Ｔ字状のレールを含む基準電極の別の代替的構成を示す斜視図である。
【図６Ｂ】Ｔ字状のレールを含む基準電極の別の代替的構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  測定電極、２  フックアップリード線、３  ハンダ、４  多層サンドイッチ構造、５  プローブ、６  基準電極、７  絶縁材料、８  感圧接着剤、９  検知素子間距離、１０  静電場、１１  空隙、１２  センサ、１３  静電場、１４  ＤＵＴ、１５  基準電極、１６  検知電極間隔、１７  対象面、１８  絶縁体、６０  基準電極。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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