特許第5834800号(P5834800)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5834800
(24)【登録日】2015年11月13日
(45)【発行日】2015年12月24日
(54)【発明の名称】表面電位センサ及び複写機
(51)【国際特許分類】
   G01R 29/12 20060101AFI20151203BHJP
   G03G 15/00 20060101ALI20151203BHJP
   G03G 15/02 20060101ALI20151203BHJP
【FI】
   G01R29/12 F
   G01R29/12 G
   G03G15/00 303
   G03G15/02 101
   G03G15/02 103
【請求項の数】11
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2011-250186(P2011-250186)
(22)【出願日】2011年11月15日
(65)【公開番号】特開2013-104829(P2013-104829A)
(43)【公開日】2013年5月30日
【審査請求日】2014年9月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002945
【氏名又は名称】オムロン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100094019
【弁理士】
【氏名又は名称】中野 雅房
(72)【発明者】
【氏名】松下 壮一
【審査官】 吉田 久
(56)【参考文献】
【文献】 特開2004−184556(JP,A)
【文献】 特開2008−278607(JP,A)
【文献】 特開平9−257833(JP,A)
【文献】 特開2009−68936(JP,A)
【文献】 特開2008−76082(JP,A)
【文献】 脇島 修 Osamu Wakishima,“エレクトレットを用いた静電気力の測定 Measurement of electrostatic force using electret”,日本物理学会講演概要集,一般社団法人日本物理学会,2007年 2月28日,Vol.62, No.1-2,p.393
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01R 29/12
G03G 15/00、21/00
CiNii
(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/(2d) …(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=12r・P・(1−ν)/(64E・t) …(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=3r・εo・V1・V2・(1−ν)/(32d・E・t
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=1.88×10N/mm (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
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11