(57)【要約】【課題】弾性支持部で可動に支持された振動子と、振動子を揺動する電磁コイルと、弾性支持部に設けられたピエゾ抵抗素子とを有し、弾性支持部の応力をより高精度に測定でき、振動子の揺動状態をより高精度に検知できる揺動体装置を提供する。【解決手段】揺動体装置は、支持部材143、支持部材に支持されたねじりバネ142、ねじりバネで可動に支持された振動子141、振動子を揺動する電磁コイル124、ピエゾ抵抗素子150、応力測定手段160を有する。ピエゾ抵抗素子はねじりバネに設けられる。応力測定手段はピエゾ抵抗素子に接続される。応力測定手段が、ピエゾ抵抗素子の出力信号に含まれるノイズを記憶する記憶部165、ピエゾ抵抗素子の出力信号からノイズを差し引く演算機能を有する演算部164を有する。電磁コイル124の駆動に起因するノイズが記憶されて、ピエゾ抵抗素子の出力信号からノイズを差し引いて出力信号が補正される。【選択図】図1
2009074948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部材と、前記支持部材に支持された弾性支持部と、前記弾性支持部で可動に支持された振動子と、前記振動子を揺動する電磁コイルと、前記弾性支持部に設けられたピエゾ抵抗素子と、前記ピエゾ抵抗素子に接続された応力測定手段と、を有する揺動体装置であって、
前記応力測定手段が、前記ピエゾ抵抗素子の出力信号に含まれるノイズを記憶する記憶部と、前記ピエゾ抵抗素子の前記出力信号から前記ノイズを差し引く演算機能を有する演算部と、を有する、
ことを特徴とする揺動体装置。
【請求項２】
前記弾性支持部はねじりバネであることを特徴とする請求項1記載の揺動体装置。
【請求項３】
前記応力測定手段は、前記演算部の演算結果に基づいて前記電磁コイルに入力する駆動信号を制御して前記振動子の揺動状態を調整することを特徴とする請求項1または2記載の揺動体装置。
【請求項４】
前記応力測定手段は、前記電磁コイルに駆動信号を入力した状態で前記振動子を静止させ、前記ノイズの測定を行ない、前記ノイズを前記記憶部に記憶することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項５】
前記振動子と弾性支持部は所定の共振周波数を持つ様に形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の揺動体装置。
【請求項６】
前記ノイズの測定を行なう時の前記駆動信号は、前記振動子の共振周波数と異なる周波数を有することを特徴とする請求項5記載の揺動体装置。
【請求項７】
請求項1から6のいずれかに記載の揺動体装置と、
前記振動子に設置された検知電極と、
前記検知電極に接続されて検知電極に現れる電気信号に基づいて測定対象の電位を測定する信号検出手段と、
を有する、
ことを特徴とする電位測定装置。
【請求項８】
請求項7記載の電位測定装置と、画像形成手段と、を有し、
前記電位測定装置の信号検出手段より得られる信号を用いて前記画像形成手段が画像形成の制御を行う、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
弾性支持部で可動に支持された振動子と、振動子を揺動する電磁コイルと、弾性支持部に設けられたピエゾ抵抗素子とを有する揺動体装置において振動子の揺動状態を検知する方法であって、
振動子の共振周波数と異なる周波数の駆動信号を電磁コイルに印加して振動子を駆動する工程と、
電磁コイルからの磁場成分のみを反映するピエゾ抵抗素子からの出力信号を測定してノイズとして記憶する工程と、
前記共振周波数と同じ周波数の駆動信号を電磁コイルに印加して振動子を共振状態で揺動させる工程と、
振動子が前記共振状態で揺動するときのピエゾ抵抗素子からの出力信号を測定する工程と、
振動子が前記共振状態で揺動するときの前記出力信号から前記記憶したノイズを差し引いて振動子の揺動状態のみを反映した弾性支持部の応力による応力成分の信号を得る工程と、
を有する、
ことを特徴とする振動子の揺動状態の検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじりバネなどの弾性支持部で可動に支持された振動子を有する揺動体装置、それを用いて測定対象の電位を非接触で測定する電位測定装置、該電位測定装置を有する画像形成装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
感光ドラムを有し電子写真方式によって画像形成を行う画像形成装置においては、安定した画質を得るために、どの様な環境下でも感光ドラムの電位を適当に（典型的には均一に）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の帯電電位を測定し、その結果を利用して感光ドラムの電位を均一に保つ様にフィードバック制御が行われる。
【０００３】
画像形成装置に用いられる電位測定装置として、次のものが提案されている（特許文献１参照）。図7はこの電位測定装置500の上面図(a)とB-B’断面図(b)を示す。この電位測定装置500では、支持基板501と一体に揺動体504と2本のねじりバネ502、503が形成され、揺動体504が2つの検知電極511、512を有する。揺動体504は、ねじりバネ502、503の長軸方向の中心線を結んだ中心線A-A’に対して線対称である。検知電極511、512は中心線A-A’に対して対称に配置される。また、検知電極511、512は、夫々、電極配線513、514によって、支持基板501上に設置された取り出し電極515、516に接続される。更に、配線517、518によって取り出し電極515、516は差動増幅器520に接続される。
【０００４】
この電位測定装置500の電位測定方法について、図7(a)のB-B’断面図である図7(b)を用いて説明する。電位測定装置500は測定対象表面521に対向して設置される。測定対象表面521は、例えば、感光ドラムである。また、電位測定装置500は電気的に接地された導電性のケース522内に配置される。図7(b)中の破線は、揺動体駆動機構（不図示）によって揺動体504を揺動させた状態を示す。揺動体504を周期的に揺動することで、検知電極511、512と測定対象表面521との距離及びそれらの間の結合容量が周期的に変化させられる。これにより、測定対象表面521の電位の情報を含んだ信号を差動増幅器520から取り出すことができる。
【０００５】
他方、信号に含まれるノイズを差し引く技術として、次のものが提案されている（特許文献2参照）。この技術は、MRI装置の制御系のクロック信号に起因するノイズがＲＦ系に混入することにより生じる画質の劣化を防止する。そのために、ＮＭＲ信号が受信されない状態での受信データから制御系のクロック信号に起因するノイズ成分を得て、そのノイズ成分を受信データから差し引くことにより受信データを補正する。
【特許文献１】特開2004−301555号公報
【特許文献２】特開平5-7570号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記背景技術の電位測定装置において、使用環境の変化等による揺動体の揺動状態の変化を検知するためにねじりバネに応力検知素子としてピエゾ抵抗素子を設置した場合、次の可能性がある。すなわち、揺動体駆動機構の駆動に起因するノイズがピエゾ抵抗素子の出力信号に発生して揺動体の揺動状態を正確に検知できなくなり、電位測定装置の安定性向上の妨げになる可能性がある。こうした課題に対して、上記特許文献2は、磁場センサとしても働くピエゾ抵抗素子におけるノイズを問題にする技術に係るものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置は、次の特徴を有する。支持部材と、前記支持部材に支持された弾性支持部と、前記弾性支持部で可動に支持された振動子と、前記振動子を揺動する電磁コイルと、前記弾性支持部に設けられたピエゾ抵抗素子と、前記ピエゾ抵抗素子に接続された応力測定手段と、を有する。そして、前記応力測定手段が、前記ピエゾ抵抗素子の出力信号に含まれるノイズを記憶する記憶部と、前記ピエゾ抵抗素子の前記出力信号から前記ノイズを差し引く演算機能を有する演算部と、を有する。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、上記揺動体装置と、前記振動子に設置された検知電極と、前記検知電極に接続されて検知電極に現れる電気信号に基づいて測定対象の電位を測定する信号検出手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、上記電位測定装置と画像形成手段とを有し、前記電位測定装置の信号検出手段より得られる信号を用いて画像形成手段が画像形成の制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題に鑑み、本発明の振動子の揺動状態の検知方法は、次の特徴を有する。弾性支持部で可動に支持された振動子と、振動子を揺動する電磁コイルと、弾性支持部に設けられたピエゾ抵抗素子とを有する揺動体装置において振動子の揺動状態を検知する方法である。そして、次の工程を有する。
振動子の共振周波数と異なる周波数の駆動信号を電磁コイルに印加して振動子を駆動する工程。
電磁コイルからの磁場成分のみを反映するピエゾ抵抗素子からの出力信号を測定してノイズとして記憶する工程。
前記共振周波数と同じ周波数の駆動信号を電磁コイルに印加して振動子を共振状態で揺動させる工程。
振動子が前記共振状態で揺動するときのピエゾ抵抗素子からの出力信号を測定する工程。
振動子が前記共振状態で揺動するときの前記出力信号から前記記憶したノイズを差し引いて振動子の揺動状態のみを反映した弾性支持部の応力による応力成分の信号を得る工程。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ピエゾ抵抗素子の出力信号に含まれる電磁コイルの駆動に起因するノイズを記憶しておいて、ピエゾ抵抗素子の出力信号から前記ノイズを差し引いて出力信号を補正する。従って、ねじりバネなどの弾性支持部の応力をより高精度に測定でき、振動子の揺動状態すなわち変位をより高精度に検知できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、図面を用いて本発明による揺動体装置ないし電位測定装置の実施の形態を説明する。
【００１３】
（第1の実施形態）
本発明の第1の実施形態の電位測定装置100の構造について図面を用いて説明する。図1は上面図、図2(a)は図1のA-A’断面図である。これらの図中、電位測定装置100は、MEMS技術によって作製されるチップ部131と、駆動機構を構成する電磁コイル部132とが治具133に配置される構造を有する。その構造の大きさは、例えば、縦15mm、横10mm、高さ5mmである。
【００１４】
チップ部131について図1、図2 (a)を用いて説明する。これらの図面では、説明のために寸法を誇張し且つ各部の寸法比を変更して示している。チップ部131は、振動子141、弾性支持部であるねじりバネ142、支持部である支持部材143によって構成される。振動子141は、ねじりバネ142を介して支持部材143により支持され、支持部材143は治具133に固定されている。各部の大きさは、例えば、a=1.3mm、b=1.1mm、l=1.1mm、w=0.08mmである。
【００１５】
振動子141、ねじりバネ142、支持部材143は基板105によって一体形成されている。基板105は、例えば、単結晶シリコンから成る。単結晶シリコンは、ヤング率が大きい、比重が小さい、塑性変形しないなど、機械的特性に優れているため、振動子141に大きい共振周波数を持たせることが可能である。基板105の表裏面には、二酸化シリコン106が成膜され、チップ部131の表裏面と基板105とが電気的に絶縁されている。二酸化シリコン106の厚さは、例えば、1μmである。
【００１６】
支持部材143、ねじりバネ142、及び振動子141がシリコンからなることで、半導体プロセスを用いて作製でき、高精度な加工が可能になる。これにより、支持部材143、ねじりバネ142、及び振動子141を高精度且つ比較的安価に作製することができる。
【００１７】
チップ部131の表面には、ねじりバネ142の中心軸を通る軸B-B’に対し対称に検知電極111、112が配置される。検知電極111、112は、例えば、二酸化シリコン106上にチタン（厚さ10nm）、白金（厚さ10nm）、金（厚さ300nm）が成膜されて形成される。検知電極111、112の大きさは、例えば、縦1.0mm、横0.5mmである。検知電極111、112は、信号検出手段を構成する差動増幅器161に接続される。
【００１８】
振動子141の裏面の中央には、電磁コイル部132と共に振動体駆動機構を構成する棒状の永久磁石102が軸A-A’に沿って設置される。永久磁石102の極性は、軸B-B’を挟んで図2 (a)に示す様にN極とS極である。極性は、図示のものとN極、S極が逆であっても構わない。永久磁石102は、例えば、サマリウムコバルト、ネオジウム鉄ボロン等の硬磁性体を着磁した材料から構成される。
【００１９】
電磁コイル部132について更に説明する。本実施形態において、電磁コイル部132は電磁コイル124と電磁コイル基板123から成る。電磁コイル124はXY平面に沿って円形状に配線が巻かれており、電磁コイル電流源125から電力を供給することで、電流の方向に従って電磁コイル124の上面或いは下面にN極またはS極が現れる。電磁コイル124の配線は、銅やアルミニウムの様に低抵抗な金属で構成され、巻数は数十回から数百回程度である。電磁コイル124の大きさは、例えば、直径d=3mm、高さt=2mmである。電磁コイル基板123は、鉄やパーマロイ（登録商標）等の強磁性体からなり、電磁コイル124を支持する役割と、電磁コイル124から発生する磁界を基板123の所で遮蔽して磁界を上方に集中させる役割を持つ。
【００２０】
ねじりバネ142の応力を検知する応力検知素子としては、ピエゾ抵抗素子150がねじりバネ142上で且つねじりバネ142の変形が最大となる部分に一体になって配置される。この変形が最大となる部分は、ねじりバネ142上の支持部材143との接続部になるべく近い箇所である。図2(b)は、ピエゾ抵抗素子150の拡大平面図、図3(a)は、図2(b)のC-C’ 断面図である。ピエゾ抵抗素子150は、ピエゾ抵抗151、ピエゾ抵抗電極152a、152b、152c、152dから成る。ピエゾ抵抗151は、リン等の不純物元素を基板105の単結晶シリコンに拡散させて作製することで、安価且つ容易に製造できる。ピエゾ抵抗151の大きさは、例えば、縦90μm、横40μmである。ピエゾ抵抗電極152c、152dは応力測定手段160の検出部162に接続され、ピエゾ抵抗電極152a、152bは応力測定手段160のピエゾ抵抗電流源163に接続される。応力測定手段160は、検出部162、ピエゾ抵抗電流源163、演算機能を有する演算部164、記憶機能を有する記憶部165から構成される。
【００２１】
ピエゾ抵抗素子150とねじりバネ142とが一体となっていることで、応力検知素子を容易且つ安価に作製することができる。また、ピエゾ抵抗素子は、半導体プロセスを用いて作製でき、高精度且つ安価に作製することができる。応力検知素子としては、シリコンなどの構造材料にドーパントなどをドープしてピエゾ効果を持たせたものを使用できる。
【００２２】
電位測定装置100の全体について、チップ部131と電磁コイル部132とは金属製の治具133に接着されている。振動子141の中心は、電磁コイル124の中央とXY平面上で略一致する様にアライメントされている。治具133は電気的に接地される。
【００２３】
本実施形態の電位測定装置100の電位測定方法の原理について説明する。図3(b)に示す様に、測定対象表面121に対向して電位測定装置100が設置される。測定対象表面121は、例えば、プリンタや複写機に利用される感光ドラムである。ここでは、一方の検知電極111で検知できる電位について説明する。
【００２４】
本実施形態の電位測定装置100の方式では、測定対象表面121の電位は、検知電極111から取り出される電流の大きさの関数であり、次の式（1）で与えられる。
i=dQ/dt=d/dt[CV]・・・（1）
ここで、Qは検知電極111上に現れる電荷量、Cは検知電極111と測定対象表面121間の結合容量、Vは測定対象表面121の電位である。
【００２５】
また、この容量Cは、次の式（2）で与えられる。
C=AS/x・・・（2）
ここで、Aは物質の誘電率などに係わる比例定数、Sは検知電極111の面積、xは検知電極111と測定対象表面121間の距離である。
【００２６】
これらの関係を用いて、測定対象表面121の電位Vを測定するのであるが、検知電極111上に現れる電荷量Qを正確に測定するには、検知電極111と測定対象表面121との間の容量Cの大きさを周期的に変調する必要がある。
【００２７】
ここでは検知電極111と測定対象表面121との距離xを周期的に変化させることにより、容量Cを周期的に変化する様にしている。振動子141の適当な位置に検知電極を配置し、振動子141を揺動させることで測定対象表面121と検知電極との距離xを周期的に変化させ、容量Cの変調を行っている。
【００２８】
次に、振動子141の駆動方法に関して説明する。電磁コイル電流源125から電磁コイル124に電流を流すと、電磁コイル124の上面及び下面に、電磁コイル124に流れる電流に対応した磁極が発生する。図3(b)では、上面がN極、下面がS極とした。発生する磁界Hは、電磁コイル124を流れる電流Iと電磁コイル124の巻数Nとの積に比例する。磁界Hは永久磁石102の磁極に作用し、振動子141を軸B-B’を中心に揺動させる。このとき発生するトルクTは永久磁石102の磁化mと磁界Hの積として表される。従って、発生するトルクTは電磁コイル124を流れる電流Iに比例することが分かる。
【００２９】
図3(b)は、上記方法により振動子141を揺動させた状態を示す。振動子141を周期的に揺動することで検知電極111、112と測定対象表面121との距離及び容量を周期的に変化させ、測定対象表面121の電位情報を含んだ信号電流を発生させることができる。本実施形態の構成では、検知電極111と検知電極112とに発生する信号電流は、夫々、測定対象表面121の表面電位情報を含み位相が180度異なる信号となる。これら2つの信号を差動増幅器161を用いて処理することで、出力信号の大きさをほぼ2倍にし、且つ検知電極111と検知電極112に影響を与える雑音を取り除くことができる。この測定方法は、上記測定原理の方法と本質的に同じであるが、2つの信号の差分を取ることが異なる。
【００３０】
このとき、電磁コイル124に電磁コイル電流源125を用いて交流を流すことで、振動子141を連続的に振動させられる。また、前記振動子とねじりバネが所定の共振周波数を持つ様に形成されているとき、振動子141をこの共振周波数で駆動することにより振動子141の振幅量を大きくとることができる。つまり、上記容量の変化が大きくなり、測定対象表面121の電位情報を含んだ信号電流を大きくすることができる。ここでは、共振周波数は約20kHzとなるように設計してある。
【００３１】
振動子141及びねじりバネ142が共振状態であることで、これらをより少ない駆動力で効率良く振動させることができる。そのため、駆動のために消費するエネルギーを節約でき且つ装置の構成を小型化することができる。
【００３２】
次に、ピエゾ抵抗素子150による振動子141の振れ角変位（揺動状態）検出方法について説明する。駆動機構により振動子141が揺動されるとき、ねじりバネ142がねじれることにより剪断応力が発生する。ピエゾ抵抗151は、応力の大きさに応じて電気抵抗が変化する特性を持つ。ピエゾ抵抗素子150の様な構成において、ピエゾ抵抗電極152a-152b間に電流iを流すと、ピエゾ抵抗電極152c-152d間に発生する電位差Eは次の式(3)で与えられる。
【００３３】
E=iρσπ・・・(3)
ここで、Eは電位差、iは電流、ρは電気抵抗、σは応力、πはピエゾ抵抗係数を表す。
【００３４】
つまり、電位差Eは応力σの関数であり、検出部162で電位差Eを測定することで応力を検知することができる。また、ピエゾ抵抗係数πはシリコンの結晶方位に関して異方性を持つ。本実施形態の場合、ピエゾ抵抗電極152a-152b間の電流方向を<1-11>方向に、ピエゾ抵抗電極152c-152d間の電場方向を<110>方向に合わせる。このことにより、ねじりバネ142表面の剪断応力に対するピエゾ抵抗係数πが最大となり、振動子141の変位を高感度に検知することが可能になる。
【００３５】
本実施形態において振動子141の振動特性が変化した際の、駆動機構を成す電磁コイル124の電流源125の制御方法について説明する。ピエゾ抵抗素子150の電位差Eを測定することによって、ねじりバネ142表面の剪断応力の大きさを検知でき、振動子141の振れ角変位を知ることができる。例えば、振動子141が正弦振動しているとき、ピエゾ抵抗素子150の電位差Eは正弦振動する。これにより、電位測定装置100の動作中における振動子141の振幅、周期を知ることができる。
【００３６】
電位測定装置100の動作中、使用環境の変化などにより、ねじりバネ142の共振周波数が電磁コイル電流源125の駆動信号の周波数からずれる可能性がある。これにより、電磁コイル124の駆動力が一定であるにも係らず振動子141の振幅が減少する。そこで、電磁コイル電流源125の駆動信号の周波数を適当に変化させ、電位差Eの振幅が最大となる様に調整する。こうして、ねじりバネ142の共振周波数と駆動信号の周波数とがほぼ一致し、電位測定装置100は、測定対象の電位測定に最適な動作を続けることができる。
【００３７】
次に、電磁コイル124の駆動に起因する出力信号171のノイズ173（すなわち、ピエゾ抵抗素子の応力に由来しない成分）を差し引く方法を説明する。図1と、図2(a)と、振動子141が共振状態で揺動しているときに検出部162で測定されるピエゾ抵抗素子150の出力信号171の時間変化を表す図3(c)と、出力信号171の処理過程を示す図4を用いて、説明する。図3(c)において、ノイズ173の位相は一般的には出力信号171と異なるが、その差は把握できていて後述の演算は可能であるので、図示の様に表しておく。
【００３８】
上記構成において、ピエゾ抵抗素子150は電磁コイル124より発生する磁束が貫く構成であるため、電磁コイル124の発生する磁場によりホール効果が生じ、振動子141の揺動の状態の検知に影響する可能性がある。振動子141が共振状態で揺動するとき、出力信号171は、ねじりバネ142の応力変化に起因する応力成分（S0）172と電磁コイル124の磁場によるホール効果に起因する磁場成分（ノイズ）173との和（S1）であると考えられる。また、前述した様に、応力成分172と磁場成分173との位相関係は常に一定であると考えることができる。
【００３９】
磁場成分173を測定するためには、ねじりバネ142に応力が発生しない状態で、電磁コイル124で磁場を発生させ、出力信号171を検出部162で測定すればよい。そこで、本実施形態においては、図4に示す処理過程に従って振動子141の揺動の状態を検知する。
【００４０】
まず、電磁コイル電流源125で、振動子141の共振周波数と異なる周波数の駆動信号（振幅は、通常の揺動時と同じである）を発生させ、振動子141を共振周波数と異なる周波数で駆動する。この異なる程度は、共振周波数から数％異なれば十分である。例えば、共振周波数が20kHzとして、20kHz±200Hz程度であればよい。このとき、振動子141は共振状態とならないため、振動子141の揺動の振幅は共振状態の1000分の1以下となり、ねじりバネ142には剪断応力が殆ど発生しない。この状態では、検出部162で検出される出力信号171は磁場成分（ノイズ）173のみである。従って、検出部162で、磁場成分のみである出力信号171を測定し、ノイズとして記憶部165に記憶する。上述の如く、振動子141が停止している上記駆動信号としても、周波数が数％異なるのみで信号自体は殆ど同じであるので、このとき得られる磁場成分（ノイズ）173は、通常の揺動時での磁場成分（ノイズ）173と殆ど同じである。
【００４１】
次に、図4に示す様に、共振周波数と同じ駆動信号を電磁コイル124に印加する。こうして、振動子141が共振状態で揺動しているとき、検出部162で検出した出力信号171から前記記憶した磁場成分173を演算部164にて差し引く。このとき、上述した様に両者間の位相差は把握できているので、これを考慮して演算を行えばよい。これにより、振動子141の揺動の状態のみを反映した応力成分172が得られ、振動子141の揺動の状態をより高精度に検知することが可能になる。
【００４２】
図4に示すフローチャートに従う上記振動子の揺動状態を検知方法は、次の様な方法として要約できる。すなわち、ねじりバネで可動に支持された振動子と、振動子を揺動する電磁コイルと、ねじりバネに設けられたピエゾ抵抗素子とを有する揺動体装置において振動子の揺動状態を検知する方法であって、次の工程を有する。
振動子の共振周波数と異なる周波数の駆動信号を電磁コイルに印加して振動子を駆動する工程。
電磁コイルからの磁場成分のみを反映するピエゾ抵抗素子からの出力信号を測定してノイズとして記憶する工程。
前記共振周波数と同じ周波数の駆動信号を電磁コイルに印加して振動子を共振状態で揺動させる工程。
振動子が前記共振状態で揺動するときのピエゾ抵抗素子からの出力信号を測定する工程。
振動子が前記共振状態で揺動するときの前記出力信号から前記記憶したノイズを差し引いて振動子の揺動状態のみを反映したねじりバネの応力による応力成分の信号を得る工程。
【００４３】
さらに、磁場成分（ノイズ）173の測定を任意の期間で定期的に行なうことにより、使用環境の変化等による磁場成分173の変動に対応することができる。また、必要に応じて電磁コイル電流源125から出力される駆動信号を調整することで、振動子141の変位を一定に保つことが可能である。この様に、応力測定手段160は、演算部164の演算結果に基づいて電磁コイル124に入力する駆動信号を制御して振動子141の揺動状態を調整する。
【００４４】
続いて、図1におけるC-C’断面を表す図5を用いて、チップ部131の作製プロセスを説明する。但し、ここでも、プロセスを分かりやすくするために、寸法は誇張して示してある。
【００４５】
（1）材料が単結晶シリコンである基板105（厚さ：200μm程度）の両面に、熱酸化炉等を用いて、二酸化シリコン106を1μｍ程度成膜する。表面及び裏面に対して、フッ化水素酸等によるウェットエッチング等を用いてパターニングする（図5(a)）。
【００４６】
（2）表面に対して、熱拡散法またはイオン打ち込み法を用いて、リン等の不純物をドープし、ピエゾ抵抗151を作製する（図5(b)）。
【００４７】
（3）表面の二酸化シリコン106及びピエゾ抵抗151上に、電極として、チタンを100Å程度成膜した後、白金を100Å程度成膜し、更に、金を3000Å程度成膜する。成膜は、蒸着、スパッタ等で行う。次に、ヨード液を用いたウェットエッチングまたは反応性イオンエッチングやイオンミーリングを用いてパターニングし、検知電極111、112及びピエゾ抵抗電極152とする（図5(c)）。
【００４８】
（4）基板105の表面に、貼付基板（不図示）を貼り付ける。次に、裏面より、シリコンである支持基板105に、二酸化シリコン106をマスクとして誘導結合型プラズマ及びＢＯＳＣＨプロセスを用いたＲＩＥを行い、開口126を形成する。このとき、貼付基板はエッチングストッパーとして機能する。その後、貼付基板を除去する（図5(d)）。ここで、ＢＯＳＣＨプロセスとは、エッチングガスと側壁保護用ガスを交互に供給し、エッチングと側壁保護を切換えることにより、シリコンを選択的に且つ異方性良くエッチングする方式である。本方式のＲＩＥを用いることで、側壁が垂直な開口126を形成することができる。
【００４９】
（5）直径0.2mm、長さ1.0mmの硬磁性体の線材を接着し、更に磁化することで永久磁石102とする(不図示)。
【００５０】
こうしたｓ作製方法は、ねじりバネにピエゾ抵抗素子を形成する工程と、振動子に検知電極を形成する工程と、支持部材に開口を形成する工程と、振動子に磁界発生手段を形成する工程とを含み、また半導体プロセスを用いて装置を作製できる。そのため、高精度且つ安価に振動子、ねじりバネ、及び検知電極を形成することができ、安定性の高い電位測定装置を提供できる。
【００５１】
以上に説明した様に、本実施形態によれば、ねじりバネに、応力に応じた電気信号を発生するピエゾ抵抗素子を設け、ピエゾ抵抗素子に接続された応力測定手段を備えることで、振動子の共振周波数の変化に駆動周波数を追従させることができる。また、振動子の共振運動を維持することができ、振動子の振れ角変位をほぼ最大に保つことで、高精度な電位測定が継続的に可能となり且つ長時間安定に動作させることができる。
【００５２】
上記構成において、検知電極は1つであっても構わない。この場合、1つの検知電極は、ねじれ運動の中心軸（軸B-B’）に対して一方側に寄って配され、検知電極からの電気信号の処理法は上記のもの（差動増幅）とは異なる。また、ねじりバネは振動子を挟んで両側に2つ設ける構成（両持ち梁構造）とすることもできる。この場合、ピエゾ抵抗素子を両方のねじりバネの同一部分に設けて、これらからの電気信号に基づいて（例えば、平均を取る）振動子の振れ角変位を検知することもできる。
【００５３】
また、1つの検知電極を配する構成では、支持部材に接続する弾性支持部（この場合は、ねじり変形ではなく撓み変形する）の根元部を横切る紙面内の軸をほぼ中心に図1の紙面にほぼ垂直な方向に振動子をたわみ駆動させる振動形態を採ることもできる。ここでは、振動形態に適応する様に弾性支持部の幅を大きくすることができる。この場合の構成でも、変形が最大となる弾性支持部の根元部にピエゾ抵抗素子を設け、これからの電気信号に基づいて振動子の振れ角変位を検知する。ただし、ピエゾ抵抗素子の設け方は、応力の発生態様に応じて変更する必要がある。
【００５４】
また、次の様な変形例も可能である。
磁場成分（ノイズ）173のみ予め実験で求めておいて、これを記憶部165に記憶させておいてもよい。ただし、装置の個体差が無視できない場合は、これはあまり適しない。実験でのノイズ取得法としては、振動体を何らかの手段で強制的に固定しておいて駆動信号（振動子の共振周波数と異なる周波数である必要は無い）を電磁コイルに入力して磁場成分（ノイズ）173のみを測定する方法がある。或いは、振動体を欠く系において駆動信号を電磁コイルに入力して磁場成分（ノイズ）173のみを測定する方法もある。こうしたノイズ取得法は、振動子を共振運動させないで用いる例に適用することができる。この様に、前記応力測定手段は、電磁コイルに駆動信号を入力した状態で振動子を静止させ、ノイズの測定を行ない、このノイズを記憶部に記憶するものである。
【００５５】
上記変形例を含む実施形態によれば、電磁コイルに駆動信号を入力した状態で振動子を静止させ、電磁コイルの駆動に起因するノイズの測定を行ない、ノイズを記憶部で記憶する。このことで、精度良く測定したノイズをピエゾ抵抗素子の出力信号から差し引くことでねじりバネの応力がより高精度に測定でき、振動子の変位をより高精度に検知できる。
【００５６】
また、上記実施形態の如く、ノイズの測定を行なう時の駆動信号を、振動子の共振周波数と異なる周波数とする場合、振動子を固定する機構を設置することなくノイズの測定を行なうことができ、装置の構成を小型化することができる。
【００５７】
また、上記の様な揺動体装置を用いる電位測定装置では、振動子に設置された検知電極と、検知電極に接続された信号検出手段とを有することで、測定対象の表面電位を非接触で精度良く測定することができる。
【００５８】
（第2の実施形態）
図6は、本発明の電位測定装置が組み込まれた画像形成装置の模式的な構成の一例を示す図である。この画像形成装置では、感光ドラム21（測定対象表面の一例）の周辺に上記実施形態にて説明した様な本発明の電位測定装置15、帯電器16、露光器18、トナー供給器19が設置されている。
【００５９】
帯電器16で感光ドラム21の表面を帯電し、露光器18を用いて感光ドラム21の表面を露光することにより、静電潜像が得られる。この静電潜像にトナー供給器19によりトナーを付着させることにより、静電潜像が現像されたトナー像が得られる。このトナー像を送りローラー20と感光ドラム21で挟まれた被印刷物体22に転写し、被印刷物体22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。この構成では、帯電器16、露光器18、感光ドラム21などが画像形成手段を構成する。
【００６０】
この構成において、感光ドラム21の帯電状態を電位測定装置15で測定し、感光ドラム21の表面電位の測定信号を帯電器制御部17に出力する。そして、帯電後の感光ドラム21の表面電位が所望の値になる様に帯電器16の帯電電圧をフィードバック制御する。本発明の電位測定装置を用いることで、振動子の振動特性の変化が起こっても、それに合わせて駆動機構からの駆動信号を制御することができるので、より正確に感光ドラム21の帯電状態を検知できる。このことにより、感光ドラム21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。
【００６１】
ところで、上記ピエゾ抵抗素子には、同じねじれ角ないし変形でも温度が異なると異なる値を検出する傾向がある。こうした温度依存性を持つので、ピエゾ抵抗素子の出力信号の絶対値の信頼性は多少不安定であるが、振動子の揺動状態の周期は正確に検出できる。こうした理由から、本発明の揺動体装置は上記の如き電位測定装置に用いるのがより適するが、仕様によっては、振動子にミラーなどの光偏向素子を設けた光偏向装置などにも適用できる。この場合、振動子の数は1つに限らず、2つ以上あってもよい。2つ以上ある場合、光偏向素子を持つ振動子を支持するねじりバネにピエゾ抵抗素子を設ければよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の揺動体装置を用いた電位測定装置の第1の実施形態を説明する上面図である。
【図２】(a)本発明の第1の実施形態を説明する断面図、(b) ピエゾ抵抗素子の拡大上面図である。
【図３】(a)ピエゾ抵抗素子の拡大断面図、(b)電位測定方法を説明する図、(c) ピエゾ抵抗素子の出力信号の時間変化を説明する図である。
【図４】出力信号の処理過程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の揺動体装置を用いた電位測定装置の作製方法の例を説明する図である。
【図６】本発明の画像形成装置の実施形態を説明する図である。
【図７】(a)本発明の背景技術を説明する上面図、(b)断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
15、100    揺動体装置（電位測定装置）
16    画像形成手段（帯電器）
18    画像形成手段（露光器）
19    画像形成手段（トナー供給器）
21    画像形成手段（感光ドラム）
111、112    検知電極
121    測定対象表面
124    電磁コイル
141    振動子
142    弾性支持部（ねじりバネ）
143    支持部材
150    ピエゾ抵抗素子
160    応力測定手段
161    信号検出手段（差動増幅器）
162    検出部
163    演算部
164    記憶部
171    出力信号
172    応力成分
173    磁場成分（ノイズ）
【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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