(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物と対向する位置に設置される半導体基板上の電極と、
該測定対象物と該電極間の結合容量を変調する変調手段と、
前記半導体基板に該半導体基板と一体に形成される電界効果型トランジスタと、
前記結合容量の変調による前記電極上の電荷量の変化によって前記電界効果型トランジスタのソース拡散領域とドレイン拡散領域間に流れる変調電流を前記変調手段の変調周波数で同期検波する検出回路と、
を備え、
前記電極が前記電界効果型トランジスタのゲート電極であることを特徴とする電位測定装置。
【請求項２】
前記変調手段は、測定対象物から該電極に放射される電気力線を一定の周期で遮るチョッパーとその駆動機構である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】
前記チョッパーとその駆動機構は、前記半導体基板上に設置されていることを特徴とする請求項２記載の電位測定装置。
【請求項４】
前記電界効果型トランジスタと前記変調手段が、該トランジスタが形成された半導体基板上に複数個設置されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の電位測定装置。
【請求項５】
前記変調手段は、測定対象物と前記電極間の距離を一定の周期で変調させるために前記半導体基板を揺動する半導体基板揺動機構であることを特徴とする請求項１記載の電位測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５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、電位測定装置のゲート電極を備える面が前記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、非接触型の電位測定装置（電位センサ）、さらには、その電位測定装置を有する複写機、プリンタ等に適応可能な画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来における画像形成装置として、例えば、感光ドラムを有し、電子写真式によって画像形成を行う装置においては、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ようなフィードバック制御を行っている。
【０００３】
以下、従来の電位測定装置の動作について説明する。非接触式電位測定装置の第１の方式として、機械式交流電界誘導型と呼ばれる方法が、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、電位測定装置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（Ｃ・Ｖ）／ｄｔ・・・・・・式（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の間の結合容量、Ｖは測定対象の表面の電圧である。
【０００４】
また、この容量Ｃは
Ｃ＝Ａ・Ｓ／ｘ・・・・・・式（２）
という式で与えられる。ここで、Ａは比例定数、Ｓは検知電極の面積、ｘは検知電極と測定対象間の距離である。
【０００５】
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同期検波方式がしばしば用いられる。すなわち、こうした電位測定装置では、適当な手段で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、必要な信号を得ている。
【０００６】
上記第１の方法の代表的な例では、測定対象と検知電極間にフォーク形状のシャッターを挿入し、このシャッターを測定対象の表面と平行な方向に周期的に動かすことで、検知電極上に到達する測定対象からの電気力線を周期的に変調する態様で遮り、実効的に検知電極の面積Ｓを変化させることで、測定対象と検知電極間の静電容量Ｃの変調を実現している（特許文献１参照）。
【０００７】
また、他の例においては、測定対象と対向する位置に開口部を有した金属のシールド材を配置し、フォークの形状をした振動素子の先端に検知電極を設け、検知電極の位置を上記開口部直下で平行に変化させて検知電極に達する測定対象からの電気力線の数を変調することで、静電容量の変調を行っている（特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、前述した方法とは異なる第２の非接触式電位センサの方式として、電位センサ内の検知電極に現れた電荷を、変調をかけずに測定する方法も提案されている。この方法の動作原理は、半導体基板上に形成した電界効果型センサのゲート電極をフローティング状態として測定対象に対向させ、測定対象の電位によってゲート電極に誘起される電荷が、このトランジスタのソースとドレイン間に流れる電流に与える影響を調べることにより、電位を測定する（特許文献３参照）。さらにこの方法では、フローティングゲート電極上に高い誘電率を持った誘電体膜を形成することで、測定対象との結合容量を増加させ、感度を上げる試みを行っている。
【０００９】
他方、近年、電子写真式画像形成装置を小型化するために、感光ドラムの小径化、ドラム周りの高密度化が必要とされ、電位測定装置も小型化、薄型化が求められている。しかしながら、前述の現状の機械式交流電界誘導型のセンサでは、センサ構造体の内部体積は、その殆どがフォーク状シャッター或いはフォーク状振動素子を振動させるための駆動機構等の組み立て部品によって占められている。従って、電位測定装置の小型化には、これら駆動機構の小型化が必須である。
【特許文献１】米国特許第４，７２０，６８２号明細書
【特許文献２】米国特許第３，８５２，６６７号明細書
【特許文献３】日本国特許第２９８２３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
こうした技術状況において、前述の第１の方式の機械式交流電界誘導型式電位センサから出力信号として取り出される電流の大きさは、前述の式（１）および（２）より
ｉ＝ｄ（Ａ・Ｖ・Ｓ／ｘ）／ｄｔ・・・・・・式（３）
で与えられるので、電位センサの小型化に伴い、電極面積Ｓが小さくなることでセンサ出力電流ｉも小さくなり、外部から雑音の影響を受けやすくなり測定精度の点で不利である。
【００１１】
また、前述の第２の方法では、ゲート電極上に誘起された微小な電荷による現象を静的に測定するため、雑音や電位のドリフト等の影響を受ける。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、測定対象物と対向する位置に設置される半導体基板上の電極と、測定対象物と該電極間の結合容量を変調する変調手段と、前記半導体基板に該半導体基板と一体に形成される電界効果型トランジスタと、前記結合容量の変調による前記電極上の電荷量の変化によって前記電界効果型トランジスタのソース拡散領域とドレイン拡散領域間に流れる変調電流を前記変調手段の変調周波数で同期検波する検出回路と、を備え、前記電極が電界効果型トランジスタのゲート電極であることを特徴とする。
【００１３】
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、電位測定装置のゲート電極を備える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。この画像形成装置でも、上記電位測定装置の特徴が生かされる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電極と測定対象物との間の結合容量を変化させることで、ゲート電極に現れる出力信号を測定し易くしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
測定対象物と対向する位置に設置される半導体基板上の電界効果型トランジスタのゲート電極である電極と、測定対象物と該電極間の結合容量を変調する変調手段を備える電位測定装置において、変調手段は、例えば、半導体基板上に設置され、測定対象物から該電極に放射される電気力線を一定の周期で遮るチョッパー部とその駆動機構であったり、測定対象物と該電極間の距離を一定の周期で変調させる半導体基板揺動機構であったりする。この電極が、半導体基板に形成された電界効果型トランジスタのゲート電極であるので、該電極と測定対象物との間の結合容量を変化させることでゲート電極に現れる出力信号を該電界効果型トランジスタ構造で増幅・検出できて、こうして高性能な電位測定装置を構成できる。この信号は、検出回路にて、前記変調手段の変調周波数にて同期検波することになる。
【００１６】
また、本発明では、前記電界効果型トランジスタと前記チョッパーの組み合わせを、該トランジスタが形成された半導体基板上に複数個設置することで、高感度な電位測定装置及びそれを用いた画像形成装置を実現することが可能となる。更に、本発明の画像形成装置において、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を有し得る。また、画像形成手段は、所定軸の回りに回転する感光ドラムを有し、該感光ドラム面上の帯電電位を電位測定装置を用いて測定する様に構成され得る。
【実施例】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
本発明の第１の実施例を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る電位センサの全体構成を示す。図１において、平板状のＳｉなどの半導体基板１００の表面上には、ゲート電極である信号検知電極１０１、ソース電極１０２及びドレイン電極１０３が形成されている。信号検知電極１０１の上部には、これと対向して測定対象物１０６が設置されているが、検知電極１０１と測定対象物１０６の間には、周期的に振動するチョッパー１０４とチョッパーを振動させるための駆動機構１０５が、基板１００上に設置されている。
【００１８】
図２は、第１の実施例で示される電位センサのチョッパー１０４が振動せず中立状態（両可動片が変位していない状態で、これらの先端部間に適当な間隙がある）にある際の、基板１００の周りの詳細な構造を示す断面図である。基板１００に形成されたソース拡散領域２０２とドレイン拡散領域２０３には、基板１００と異なった導電型を持つように不純物が注入されている。検知電極１０１は、半導体基板１００上のソース電極１０２とドレイン電極１０３の間に形成された絶縁膜２０１上に、形成されている。ソース電極１０２には電源供給回路２０４が、ドレイン電極１０３には信号検出回路２０５がそれぞれ接続されている。
【００１９】
図２の状態で、測定対象物１０６に電圧が印加されると、電気力線２０６が測定対象物１０６から検知電極１０１に向けて放出される。図示されてはいないが、ソース電極１０２及びドレイン電極１０３の上部には、これらを覆って測定対象物１０６からの電気力線の影響を受けないようにする適当なカバーが設けられている。
【００２０】
こうした状態で、電気力線２０６の一部が、チョッパー１０４（これはアースされている）が形成する間隙を通じて、検知電極１０１に到達する。この電気力線は、検知電極１０１上に電荷を誘起する。このとき、測定対象物１０６の有する電位の大きさに応じて、検知電極１０１上に発生する電荷量は変化する。検知電極１０１上の電荷により、絶縁膜２０１の直下でソース拡散領域２０２とドレイン拡散領域２０３間の半導体基板１００の表面の部分に形成される反転層の厚さが変化する。この反転層の厚さの変化量は、検知電極１０１上の電荷量に依存する。
【００２１】
ソース電極１０２とドレイン電極１０３間に電圧が印加されると、反転層を通じてソース、ドレイン間に電流が流れるが、この電流は反転層の厚さの関数となる。したがって、ソース、ドレイン間に流れる電流は、電位測定対象物１０６に印加される電位の関数となり、検出回路２０５で電流を検知することで、対象物１０６に印加された電位を検出することが可能となる。
【００２２】
図３と図４は、本発明による電位センサの本実施例において、チョッパー１０４の両可動片が逆相で図中左右方向に振動している際の動作原理を説明する断面図である。図３は、チョッパー１０４が振動中に、静止中立状態、すなわち図２で示した位置と同じ位置を通過している状態を示している。図４（１）はチョッパー１０４が最も大きく開いているとき、図４（２）はチョッパー１０４が最も閉じているときを表している。尚、図３と図４では、見易くするために、絶縁膜２０１などは描かれていない。
【００２３】
チョッパー１０４は、ＡＣ電源３０１によってチョッパー駆動機構１０５に供給される駆動信号と同じ周波数で、振動している。また、ＡＣ電源３０１からは、チョッパー駆動信号と同じ周波数の信号が、参照信号として同期検波回路３０２に送られている。チョッパー１０４の両可動片の先端部の開閉により、測定対象物１０６から検知電極１０１に到達することができる電気力線２０６の量は周期的に変調される。この結果、上述したように、検知電極１０１上に誘起される電荷量、さらには、ソース電極１０２、ドレイン電極１０３間で流れる電流も変調される。この電流を、検出回路２０５を通じて、同期検波回路３０２で同期検波することで、ＡＣ電源３０１と同じ周波数を持ち、かつ測定対象物１０６の有する電位に対応した値を持つ電流成分を検出することができる。同期検波であるので、比較的高感度、高精度で検出することが可能である。
【００２４】
ところで、ソース拡散領域２０２、ドレイン拡散領域２０３、およびこれら二つの領域に挟まれた検知電極１０１直下の領域が、デプレッション型電界効果型トランジスタ構造を有する場合には、ソース電極とドレイン電極間に流れる電流は、検知電極１０１に誘起される電荷量に比例する、すなわち  測定対象物１０６の電位に比例するような構成とすることができる。したがって、検出回路の構成を比較的簡単にできる。
【００２５】
本実施例で示すように、機械式交流電界誘導型電位測定装置の検知電極及び機械的なチョッパー部分を半導体基板上に一体化して作製し、さらには、従来は個別の部品を用いていた初段の電界効果型トランジスタ増幅回路部を半導体基板上に一体化すれば、比較的小型、低コストな電位測定装置を実現することが可能となる。
【００２６】
（実施例２）
本発明の第２の実施例を図５と図６に基づいて説明する。第２の実施例は、第１の実施例で示した、電界効果型トランジスタと電気力線を変調するためのチョッパーが、同一基板上に多数個設置された構造を有することを特徴としている。
【００２７】
一般に、電位センサの検出感度を上げるためには、検知電極の面積を大きくすることが一つの手段である。しかし、検知電極の面積を大きくすると、電気力線を変調するためのチョッパーも大きくなり、消費電力の増大や、駆動周波数の低下等の不都合が生じる。そこで、小さな検知電極を多数並べて、検知電極の総面積を大きくする方法を用いると、大面積の検知電極を用いる方法と同様に検出感度を上げることができる。ここで、分割された各々の検知電極に小型のチョッパーを備え付けることで、チョッパーの大きさは小さくでき、消費電力の増大や、駆動周波数の低下等を防ぐことが可能となる。
【００２８】
しかし、単に第１の実施例で示したチョッパーと駆動機構を複数個設置した場合、すべてのチョッパーが同時に同一の動作を行なうよう制御するには、複雑な制御機構が必要となる。そこで、本実施例では、多数個のチョッパーを並べる代わりに、多数の窓の開いた構造を有する単一のシャッターを使用する。
【００２９】
図５は、第２の実施例に係る電位センサの全体構成を示す。図５において、平板状の半導体基板４００の測定対象物４０８側の表面上には、複数個の周期的に配置された窓４０５を有するシャッター構造体４０４が設置されている。シャッター構造体４０４は、シャッター駆動機構４０６と支持体４０７に取り付けられており、また基板４００との間には、空隙が設けられている。そして、シャッター駆動機構４０６と支持体４０７を結ぶ直線Ａに沿った方向に往復振動することが可能な構造を有する。
【００３０】
シャッター構造体４０４の有するそれぞれの窓４０５の直下の基板４００表面部分には、第１の実施例で示したような検知電極・ソース電極・ドレイン電極の組、すなわち電界効果型トランジスタの組が、複数組設置されている。そして、各々のソース電極は、ソース電極用配線４０３により電源供給回路４０９に、各々のドレイン電極からの出力は、ドレイン電極用配線４０２により信号検出回路４１０に、それぞれ接続されている。
【００３１】
図６は、本発明の第２の実施例において、シャッター構造体４０４の有する窓４０５および検知電極近傍の詳細な断面図を表している。シャッター構造体４０４の有する窓４０５の直下には、検知電極５０１が絶縁層５０４を介して半導体基板４００上に設けられている。ソース電極５０２、ソース拡散領域５０５、ドレイン電極５０３、ドレイン拡散領域５０６と、検知電極５０１および絶縁層５０４の位置関係は、第１の実施例において図２で説明した構造と同等であり、この構造が、シャッター構造体４０４に設けられた窓４０５と同じ周期で、基板４００上に並んでいる。隣り合ったソース拡散領域５０５、５１５とドレイン拡散領域５０６の間には、高抵抗領域５０７、５１７が設けられている。
【００３２】
この構成において、シャッター構造体４０４を図６中のＡの方向に周期的に振動させ、シャッター構造体４０４に設けられた窓４０５を、検知電極５０１の上部において周期的に移動することで、測定対象物４０８から放出され検知電極５０１に到達する電気力線の数を変調することができる。
【００３３】
ここで、ソース電極５０２には、電源供給回路４０９からソース電極用配線４０３を通じて電圧が供給されているため、シャッター構造体４０４の動きにより検知電極５０１上に誘起される電荷が変調されると、絶縁層５０４直下の半導体基板４００中の反転領域の大きさが変調される。これにより、ソース拡散領域５０５とドレイン拡散領域５０６間を流れる電流が変調される。この電流を、ドレイン電極５０３およびドレイン電極用配線４０２を通じて検出回路４１０にて、シャッター構造体４０４の振動周波数にて同期検波することで、本発明の第１の実施例と同様に、測定対象物４０８の電位を高性能で検出することが可能となる。
【００３４】
本発明の第２の実施例においては、半導体基板表面に複数組の電界効果型トランジスタが並んで設置されている構成を有するため、異なった組のトランジスタのソース拡散領域とドレイン拡散領域の間で、相互干渉が生じる可能性がある。例えば、図６において、ドレイン拡散領域５０６に、隣に設置されたトランジスタ構造のソース拡散領域５１５から電流が流れてしまうような場合が想定される。このような現象は、例えば、隣り合ったトランジスタ間に上記高抵抗領域５０７、５１７等を設けることによって、防ぐことが可能であり、本実施例を構成する際の障害とはならない。
【００３５】
上記の第１および第２の実施例では、検知電極と半導体基板の間に絶縁体を挿入した所謂ＭＩＳ−電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）構造の場合を例示した。しかし、本発明においては、検知電極と半導体の関係は、このＭＩＳ構造に限定されるものではない。絶縁体層が酸化物であるＭＯＳ−ＦＥＴ構造、または絶縁体層が無いＭＥＳ−ＦＥＴ構造も、原理的に問題なく採用することができる。
【００３６】
（実施例３）
上記実施例ではゲート電極である検知電極に到達する電気力線の数を変調していたが（上記式（２）でＳを変化させるのにあたる）、測定対象物と検知電極間の距離ｘを変調させても、上記式（２）から分かるように、結合容量を変化させられる。本発明の第３の実施例は、こうした方式を採用する実施例である。図７は、本実施例に係る電位センサの構成を示す。
【００３７】
図７は、電位センサを測定対象表面１２０１に対して配置した状態を表している。図７において、１２０２は電位センサを収めるケースであり、検知電極部分を除いて揺動体１１０４の上部を覆っている。これは導電性の材料で形成され、アースに接地されている。揺動体１１０４を支える支持基板１１００は、適切な装着冶具１２０３と１２０４によって、ケース１２０２に固定されている。この設置されたケース１２０２の存在により、揺動体１１０４とほぼ真正面で対向する測定対象表面１２０１の部分からのみ電気力線が検知電極１１１１と１１１２に達することになり、雑音成分を抑制できて精度良く電位測定ができる。また、支持基板１１００の中央部には開口部が形成され、開口部の中央中空部分には、平板状の揺動体１１０４の紙面垂直方向の手前と向こう側にある２本のねじりバネにより、揺動体１１０４が中心軸線Ｃの回りで揺動可能に支持されている。
【００３８】
さらに、揺動体１１０４の上面には、絶縁膜（不図示）を介して、２個の同一形状の平板状の検知電極（ゲート電極）１１１１、１１１２が中心軸線Ｃに対して線対称に配置されていて、各検知電極の紙面垂直方向の手前と向こう側にはソース電極、ソース拡散領域、ソース電極用配線の組とドレイン電極、ドレイン拡散領域、ドレイン電極用配線の組（これらも不図示）がそれぞれ設けられている。こうした電界効果型トランジスタの構成は上記実施例で説明した通りである。揺動体１１０４が中心軸線Ｃの回りで揺動するとき、この上の検知電極（ゲート電極）１１１１、１１１２は逆相で測定対象表面１２０１に周期的に近づいたり遠ざかることになり、これにより後述のドレイン電流の差動増幅が可能となる。各ドレイン電極は、ねじりバネの上に形成されたドレイン電極用配線によって、支持基板１１００上に形成された取り出し電極とそれぞれ接続されており、例えば、支持基板１１００外部に設置された差動増幅器の反転入力接点と非反転入力接点に接続されている。これにより、ドレイン電流が差動増幅されて、検出回路で上記実施例と同様に同期検波される。勿論、１つの検知電極のみを揺動体１１０４の上面に設けて（すなわち図７においてどちらかの検知電極を取り除く）、ドレイン電流を差動増幅しないで上記実施例と同様に検知する構成にしてもよい。
【００３９】
この電位センサに、適切な揺動体駆動機構を加え、揺動体１１０４とねじりバネの形状、材料などを適切に選ぶことで、揺動体１１０４をねじりバネの中心軸線Ｃを回転中心として周期的に揺動させ、揺動体１１０４上の検知電極と測定対象表面１２０１の距離を周期的に変化させる。こうして、ソース拡散領域とドレイン拡散領域間を流れる電流を変調させて、この電流を検出回路にて揺動体１１０４の揺動周波数にて同期検波することで、上記実施例と同様に、測定対象物１２０１の電位を検出することができる。揺動体１１０４を揺動させる揺動体駆動機構は、例えば、揺動体裏面に設けられる磁石と、交流電流を流すことで磁界を発生する外部のコイルである。その他の点は第１の実施例と同様である。
【００４０】
（実施例４）
図８は実施例４の画像形成装置を説明する図である。図８は、本発明による電位センサ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、電位センサ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。
【００４１】
この構成において、ドラム２１０８の帯電状態を本発明の高性能の電位センサ２１０１で測定し、信号処理装置２１０３で信号を処理し、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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施例における電位センサと測定対象との位置関係を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例の半導体基板内部の断面を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例においてチョッパー（シャッター）が開閉する際の各部品と測定対象の位置関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例においてチョッパー（シャッター）が最も開いた状態と最も閉じた状態を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例における電位センサと測定対象との位置関係を示す斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施例における半導体基板内部の断面を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例における電位センサと測定対象との位置関係を示す断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例の画像形成装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１００、４００、１１０４    半導体基板（揺動体）
１０１、５０１、１１１１、１１１２    電極（ゲート電極）
１０４、１０５、４０４、４０５、４０６、４０７    変調手段（チョッパー、チョッパー駆動機構）
１０６、４０８、１２０１    電位測定対象物
【図１】
0004794828.tif 000002
【図２】
0004794828.tif 000003
【図３】
0004794828.tif 000004
【図４】
0004794828.tif 000005
【図５】
0004794828.tif 000006
【図６】
0004794828.tif 000007
【図７】
0004794828.tif 000008
【図８】
0004794828.tif 000009