JP2001165976A - 電位センサおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外的要因で同相モードの振動が圧電音叉に印
加されても、出力される信号が不安定になりにくい電位
センサを提供することを目的とする。 【解決手段】 圧電音叉２１の一方の腕３に第１の圧電
体２２を、他方の腕４に第２の圧電体２３をそれぞれ設
けるとともに、第１および第２の圧電体２２、２３から
出力される信号をそれぞれバッファアンプ２４、２５を
介して加算器２６で加算して得た信号で、検出用電極７
から出力される信号を同期検波する検波回路１２を備え
る。そして、第１および第２の圧電体２２、２３は、抵
抗２７、２８をそれぞれ介して発振回路９の出力で駆動
されている。 【効果】 外的要因で圧電音叉に同相モードの振動が印
加されても、出力される信号を安定化させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電位センサおよび
それを用いた電子機器、特に圧電音叉を用いた電位セン
サおよびそれを用いた電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子写真複写機やレーザープリンタなど
の電子機器においては、感光体ドラムを帯電させる工程
があり、その帯電した感光体ドラムの表面電位を非接触
で測定するための電位センサが必要となっている。

【０００３】図５に、従来の電位センサのブロック図を
示す。図５において、電位センサ１は、圧電音叉２、発
振回路９、プリアンプ１０、アンプ１１、検波回路１
２、低域通過フィルタ１３、ＤＣアンプ１４、および出
力端子１５を備えている。このうち、圧電音叉２は２つ
の脚３および４を有し、一方の脚３の内側には駆動用圧
電体５が、他方の脚４の内側には帰還用圧電体６がそれ
ぞれ設けられている。また、一方の脚３の外側には、検
出用電極７が被検出面８に対向して設けられており、検
出用電極７と被検出面８との間には静電容量Ｃ１が形成
されている。ここで、被検出面８は、たとえば感光体ド
ラムの表面である。

【０００４】発振回路９の出力は駆動用圧電体５に接続
されており、帰還用圧電体６は発振回路９の入力に接続
されている。

【０００５】検出用電極７はプリアンプ１０とアンプ１
１を順に介して検波回路１２に接続されている。また、
帰還用圧電体６の出力も検波回路１２に接続されてい
る。そして、検波回路１２の出力は低域通過フィルタ１
３とＤＣアンプ１４を介して出力端子１５に接続されて
いる。

【０００６】図６に、このように構成された電位センサ
１の各部における信号の波形を示し、これを図５ととも
に用いて電位センサ１の動作を説明する。

【０００７】まず、発振回路９から出力される信号が、
圧電音叉２の一方の脚３に設けられた駆動用圧電体５に
入力されると、駆動用圧電体５が機械的に振動し、これ
によって圧電音叉２が逆相モードで振動する。ここで言
う逆相モードとは、圧電音叉の２つの脚が同時に接近し
たり離れたりするモードの振動のことである。圧電音叉
２が振動すると、圧電音叉２の他方の脚４に設けられた
帰還用圧電体６が機械的に振動し、それによって電気的
な信号が出力される。この電気信号は発振回路９に帰還
される。すなわち、発振回路９、駆動用圧電体５、帰還
用圧電体６からなる閉ループにおいて、圧電音叉２の共
振周波数で自励発振を行っていることになる。なお、発
振回路９の内部は閉ループの移相を発振に最適なものに
するための移相器や増幅器などで構成されている。

【０００８】一方、圧電音叉２の一方の脚３には検出用
電極７が設けられて被検出面８との間で静電容量Ｃ１を
形成している。このような状態において、発振回路９か
ら入力された信号に駆動されて圧電音叉２が振動する
と、圧電音叉２の振動に合わせて検出用電極７と被検出
面８との間の間隔が変化し、静電容量Ｃ１が変化する。
そして、静電容量Ｃ１の変化によって検出用電極７から
出力される信号が変化する。このとき、検出用電極７か
ら出力される信号の振幅は、被検出面８の電位にほぼ比
例して大きくなる。検出用電極７から出力される信号は
プリアンプ１０とアンプ１１で増幅され、検波回路１２
に入力される。図６（ａ）に検出用電極７から出力され
て検波回路１２に入力される信号の波形を示す。このよ
うに、検出用電極７から出力されて検波回路１２に入力
される信号は正弦波となっている。

【０００９】検波回路１２には帰還用圧電体６から出力
される信号の一部も検波用の信号として入力されてお
り、これを用いてアンプ１１から入力された信号を同期
検波する。図６（ｂ）に帰還用圧電体６から出力される
信号の波形を示す。このように、帰還用圧電体６から出
力される信号も、検出用電極７から出力される信号と同
じ周波数の正弦波となっている。そして、図６（ｃ）に
検波回路１２から出力される信号の波形を示す。このよ
うに、検波回路１２から出力される信号は、検波回路１
２に入力される信号を全波整流したような波形の信号と
なる。

【００１０】検波回路１２で検波された信号は低域通過
フィルタ１３で直流成分が取り出され、ＤＣアンプ１４
で増幅されて出力端子１５から出力される。図６（ｄ）
に出力端子１５から出力される信号の波形を示す。この
ように、出力端子１５からは一定の値の直流の電圧が出
力される。そして、この電圧値は被検出面８の電位にほ
ぼ比例する。

【００１１】このようにして、電位センサ１において
は、被検出面８の電位に応じた直流電圧を取り出すこと
ができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電音叉に
おいては、外的要因によって通常の逆相モードとは異な
る同相モードで振動する場合がある。ここで、図７に、
従来の電位センサ１において、圧電音叉２に逆相モード
の振動とは周波数の異なる同相モードの振動が加わった
場合の各部の信号の波形を示し、これを用いて圧電音叉
２に同相モードの振動が加わった場合の電位センサ１の
動作を説明する。

【００１３】まず、電位センサ１において、圧電音叉２
が逆相モードに加えて同相モードでも振動すると、検出
電極７からは通常の逆相モードの振動に同相モードの振
動が加わった波形の信号が出力され、検波回路１２に入
力される。図７（ａ）に検出用電極７から出力されて検
波回路１２に入力される信号の波形を示す。このよう
に、検出用電極７から出力されて検波回路１２に入力さ
れる信号は、周波数の異なる２つの正弦波が合成された
波形となっている。

【００１４】一方、検波回路１２には帰還用圧電体６か
ら出力される信号の一部も検波用の信号として入力され
ているが、これも通常の逆相モードの信号に同相モード
の信号が加わった波形の信号となっている。図７（ｂ）
に帰還用圧電体６から出力される信号の波形を示す。こ
のように、帰還用圧電体６から出力される信号も、検出
用電極７から出力される信号と同じ波形および位相とな
っている。

【００１５】検波回路１２では、同相モードの振動に逆
相モードの振動が加わった信号を、同じく同相モードの
振動に逆相モードの振動が加わった同じ位相の信号で同
期検波する。図７（ｃ）に検波回路１２から出力される
信号の波形を示す。このように、検波回路１２から出力
される信号は、検波回路１２に入力される信号を全波整
流したような波形の信号となる。

【００１６】検波回路１２で検波された信号は低域通過
フィルタ１３で直流成分が取り出され、ＤＣアンプ１４
で増幅されて出力端子１５から出力される。図７（ｄ）
に出力端子１５から出力される信号の波形を示す。この
ように、出力端子１５からは一定の値の直流の電圧が出
力される。そして、図７（ｄ）の信号の電圧値と図６
（ｄ）の信号の電圧値とを比べると、同相モードの振動
が加わっている方が出力端子１５から出力される信号が
大きくなっていることが分かる。

【００１７】このように、従来の電位センサ１において
は、圧電音叉２に外的要因で同相モードの振動が印加さ
れた場合に、出力される信号が不安定になるという問題
があった。

【００１８】そこで、本発明においては、外的要因で同
相モードの振動が圧電音叉に印加されても出力される信
号を安定化させることのできる電位センサおよびそれを
用いた電子機器を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電位センサは、２つの脚を有する圧電音叉
のいずれか一方の脚に被検出面に対向して検出用電極を
設け、前記圧電音叉の一方の脚に第１の圧電体を、他方
の脚に第２の圧電体をそれぞれ設けてなり、前記第１お
よび第２の圧電体の少なくとも一方を駆動用圧電体と
し、前記第１および第２の圧電体の両方を帰還用圧電体
としたことを特徴とする。

【００２０】また、本発明の電位センサは、前記駆動用
圧電体に入力する信号を直列に接続されたインピーダン
ス素子を介して出力する発振回路と、前記２つの帰還用
圧電体から出力される信号をそれぞれ前記インピーダン
ス素子より入力インピーダンスの大きい緩衝器を経由し
て加算もしくは減算して前記発振回路に帰還させる加算
器もしくは減算器とを備えたことを特徴とする。

【００２１】また、本発明の電位センサは、前記検出用
電極から出力される信号を前記加算器もしくは減算器か
ら出力される信号で同期検波する検波回路を備えたこと
を特徴とする。

【００２２】また、本発明の電子機器は、感光体ドラム
と、該感光体ドラムの表面電位を測定する上記の電位セ
ンサを備えることを特徴とする。

【００２３】このように構成することにより、本発明の
電位センサにおいては、外的要因で同相モードの振動が
圧電音叉に印加されても、出力される信号を安定化させ
ることができる。

【００２４】また、本発明の電子機器においては、外的
要因で同相モードの振動が電子機器に印加されても、感
光体ドラムの表面電位を目的の値に保つことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の電位センサの一
実施例のブロック図を示す。図１において、図５と同一
もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省
略する。

【００２６】図１において、電位センサ２０は、圧電音
叉２１の一方の脚３の内側に第１の圧電体２２が、他方
の脚４の内側に第２の圧電体２３がそれぞれ設けられて
いる。ここで、第１の圧電体２２と第２の圧電体２３は
同方向、すなわち圧電体から圧電音叉の脚に向かう方向
に分極されている。なお、分極の方向は、図１において
矢印で示している。また、第１の圧電体２２は緩衝器で
あるバッファアンプ２４を介して加算器２６の一方の入
力に接続され、第２の圧電体２３は緩衝器であるバッフ
ァアンプ２５を介して加算器２６のもう一方の入力にそ
れぞれ接続されている。加算器２６の出力は２つに分岐
して、それぞれ発振回路９と検波回路１２に接続されて
いる。そして、発振回路９の出力も２つに分岐し、一方
は直列に接続されたインピーダンス素子である抵抗２７
を介して第１の圧電体２２に接続され、他方は直列に接
続されたインピーダンス素子である抵抗２８を介して第
２の圧電体２３に接続されている。このうち、抵抗２７
および２８のインピーダンス値は、信号の伝達効率を最
大にするために、第１の圧電体２２および第２の圧電体
２３の入力インピーダンスに整合する値に設定されてい
る。そして、第１の圧電体２２および第２の圧電体２３
に発生する同相モードの成分が駆動信号に隠れないよう
にするという効果も有している。また、バッファアンプ
２４および２５は、抵抗２７および２８のインピーダン
ス値より十分大きい入力インピーダンスを有している。

【００２７】図２に、このように構成された電位センサ
２０の各部における信号の波形を示し、これを図１とと
もに用いて電位センサ２０の動作を説明する。

【００２８】まず、第１の圧電体２２と第２の圧電体２
３は、上述したように同方向に分極されている。そのた
めに、発振回路９から抵抗２７や２８を介して印加され
る信号によって、第１の圧電体２２と第２の圧電体２３
は駆動用圧電体として働き、圧電音叉２１は逆相モード
で振動する。

【００２９】圧電音叉２１が逆相モードのみで振動して
いるときには、検出用電極７からは、従来の電位センサ
１における場合と同様の逆相モードの振動による信号が
出力され、プリアンプ１０とアンプ１１を介して検波回
路１２に入力される。

【００３０】また、第１の圧電体２２および第２の圧電
体２３は帰還用圧電体としても働き、互いに同位相の信
号が出力される。帰還用圧電体としての第１の圧電体２
２および２３から出力される信号は、緩衝器２４および
２５をそれぞれ介して加算器２６に入力されて加算され
る。このとき、入力される２つの信号は同位相であるた
めに強め合い、加算器２６からは逆相モードの振動によ
る信号が出力される。

【００３１】加算器２６から出力された信号は発振回路
９に入力されることによって自励発振ループを構成す
る。

【００３２】また、加算器２６から出力された信号の一
部は検波用の信号として検波回路１２に入力され、アン
プ１１から検波回路１２に入力された信号を同期検波す
る。検波回路１２で検波された信号は低域通過フィルタ
１３で直流成分が取り出され、ＤＣアンプ１４で増幅さ
れて出力端子１５から出力される。なお、バッファアン
プ２４、２５や加算器２６による群遅延などによって検
波回路１２に入力される２つの信号の移相が一致しない
場合には、たとえば加算器２６と検波回路１２の間に移
相器を設けてもよい。

【００３３】一方、圧電音叉２１に外的要因によって同
相モードの振動が加わると、検出用電極７からは、図２
（ａ）に示すように従来の電位センサ１における場合と
同様の逆相モードの振動に同相モードの振動が加わった
信号が出力され、プリアンプ１０とアンプ１１を介して
検波回路１２に入力される。また、第１の圧電体２２お
よび第２の圧電体２３からも通常の逆相モードの振動に
同相モードの振動が加わった波形の信号が出力される。
このとき、第１の圧電体２２と第２の圧電体２３は圧電
音叉２１の異なる脚に設けられているため、第１の圧電
体２２と第２の圧電体２３からは、図２（ｂ）および
（ｃ）に示すように、同相モードの振動に対して互いに
位相の反転した信号が出力される。ここで、図２（ｂ）
が第１の圧電体２２から出力される信号を、図２（ｃ）
が第２の圧電体２３から出力される信号を示している。

【００３４】第１の圧電体２２および第２の圧電体２３
から出力される信号はバッファアンプ２４および２５を
それぞれ介して加算器２６に入力されて加算される。こ
のとき、２つの信号の持つ逆相モードの振動による部分
は位相が一致しているためにそのまま出力されるが、同
相モードの振動による部分は位相が反転しているために
互いに相殺される。そのため、加算器２６からは図２
（ｄ）に示すように逆相モードの振動による信号のみが
出力される。

【００３５】加算器２６から出力される信号の一部は検
波用の信号として検波回路１２に入力され、アンプ１１
から入力された信号を同期検波する。図２（ｅ）に検波
回路１２から出力される信号の波形を示す。

【００３６】検波回路１２で検波された信号は低域通過
フィルタ１３で直流成分が取り出され、ＤＣアンプ１４
で増幅されて出力端子１５から出力される。図２（ｆ）
に出力端子１５から出力される信号の波形を示す。図２
（ｆ）の信号の振幅を図６（ｄ）や図７（ｄ）の信号の
振幅を比べると、同相モードの振動が印加されていない
場合とほぼ等しい電圧値になっていることが分かる。

【００３７】このように、電位センサ２０においては、
検波用の信号から同相モードの振動に起因するものを取
り除くことによって、出力される信号の安定性の劣化を
防止することができる。

【００３８】なお、電位センサ２０においては、第１の
圧電体２２と第２の圧電体２３の出力をバッファアンプ
２４および２５をそれぞれ介して加算器２６に接続し
て、さらにその出力を発振回路９および検波回路１２に
接続しているが、加算器２６を用いずに、バッファアン
プ２４、２５の出力を直結して発振回路９および検波回
路１２に接続しても構わないもので、加算器２６がある
場合と同様の作用効果を奏するものである。

【００３９】また、電位センサ２０においては、第１の
圧電体２２と第２の圧電体２３の出力をバッファアンプ
２４および２５をそれぞれ介して加算器２６に接続して
いるが、加算器２６の入力インピーダンスがバッファア
ンプの入力インピーダンスと同じ程度に高ければ、必ず
しもバッファアンプはなくても構わないものである。

【００４０】また、電位センサ２０においては、インピ
ーダンス素子として抵抗２７、２８を用いているが、イ
ンピーダンス素子としては抵抗に限るものではなく、イ
ンダクタンス素子であっても構わないものである。

【００４１】また、電位センサ２０においては、第１の
圧電体２２と第２の圧電体２３の両方が圧電音叉２１の
脚の内側に設けられているが、第１および第２の圧電体
をいずれも圧電音叉２１の脚の外側に設けたり、いずれ
か一方の圧電体を脚の内側に設け、他方の圧電体を脚の
外側に設けても構わないものである。なお、その場合に
は、各圧電体は圧電音叉が逆相モードで振動するときに
同相の信号を出力するような方向にそれぞれ分極してお
くものとする。

【００４２】図３に、本発明の電位センサの別の実施例
のブロック図を示す。図３において、図１と同一もしく
は同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略す
る。

【００４３】図３において、電位センサ３０は、圧電音
叉３１の他方の脚４の内側に、第２の圧電体２３に代え
て第２の圧電体３２を有している。そして、第２の圧電
体３２は第２の圧電体２２に対して逆方向、すなわち圧
電音叉の脚から圧電体に向かう方向に分極されている。
なお、分極の方向は、図３において矢印で示している。
また、第１の圧電体２２は緩衝器であるバッファアンプ
２４を介して減算器３３の一方の入力に接続され、第２
の圧電体３２は緩衝器であるバッファアンプ２５を介し
て減算器３３のもう一方の入力にそれぞれ接続されてい
る。減算器３３の出力は２つに分岐して、それぞれ発振
回路９と検波回路１２に接続されている。

【００４４】このように構成された電位センサ３０にお
いて、第１の圧電体２２と第２の圧電体３２が、上述し
たように逆方向に分極されているために、第１の圧電体
２２および第２の圧電体３２からは、逆相モードの振動
による信号が逆相で、外的要因による同相モードの振動
による信号が同相で出力される。しかしながら、加算器
２６に代えて減算器３３を用いているために、同相モー
ドの振動による信号が相殺され、減算器３３から出力さ
れる信号は、電位センサ２０において加算器２６から出
力される信号と同じ逆相モードの振動による信号のみと
なる。その結果、電位センサ３０においても、電位セン
サ２０と同様の作用効果を奏するものである。

【００４５】ただし、電位センサ３０においては、電位
センサ２０とは異なり、バッファアンプ２４と２５の出
力を直結して発振回路９に接続することはできない。

【００４６】なお、上記の２つの実施例においては、発
振回路９の出力を抵抗２７および２８を介して第１およ
び第２の圧電体の両方に接続しているが、図５に示した
従来の電位センサ１のように発振回路９の出力をいずれ
か一方の圧電体のみに接続する構成でも構わないもの
で、その場合でも、発振回路９の出力を第１および第２
の圧電体に接続する場合と同様の作用効果を奏するもの
である。なお、その場合には、発振回路９の出力が接続
された圧電体のみが駆動用圧電体として機能することに
なる。また、抵抗２７と２８のいずれか一方は不要とな
る。

【００４７】図４に、本発明の電子機器の一実施例のブ
ロック図を示す。図４において、電子機器４０は、感光
体ドラム４１と、制御回路４２と、コロトロン４３と、
本発明の電位センサ２０を備えている。ここで、コロト
ロン４３と電位センサ２０は感光体ドラムに近接して配
置されるとともに、制御回路４２に接続されている。

【００４８】このように構成された電子機器４０におい
て、感光体ドラム４１は制御回路４２で制御されたコロ
トロンによって帯電される。感光体ドラム４１の表面電
位は電子センサ２０によって検出され、制御回路４２に
フィードバックされる。そして、制御回路４２は電位セ
ンサ２０で検出した感光体ドラム４１の表面電位が目的
の値になるようにコロトロンに加える電圧を調節する。
このとき、本発明の電位センサ２０においては、外的要
因で圧電音叉に同相モードの振動が印加されても、出力
される信号が安定しているため、感光体ドラム４１の表
面電位を正確に測定することができる。

【００４９】この結果、電子機器４０においては、外的
要因で電子機器に同相モードの振動が印加されても、感
光体ドラム４１の表面電位を目的の値に保つことができ
る。

【００５０】なお、電子機器４０においては電位センサ
２０を用いて感光体ドラム４１の表面電位を測定してい
るが、電位センサ３０を用いても構わないもので、同様
の作用効果を奏するものである。

【００５１】

【発明の効果】本発明の電位センサによれば、２つの脚
を有する圧電音叉のいずれか一方の脚に被検出面に対向
して検出用電極を、一方の脚に第１の圧電体を、他方の
脚に第２の圧電体をそれぞれ設け、その少なくとも一方
を駆動用圧電体とし、両方を帰還用圧電体とするととも
に、駆動用圧電体に入力する信号を直列に接続されたイ
ンピーダンス素子を介して出力する発振回路と、帰還用
圧電体から出力される信号を加算もしくは減算して発振
回路に帰還させる加算器もしくは減算器と、検出用電極
から出力される信号を加算器もしくは減算器から出力さ
れる信号で同期検波する検波回路を備えることによっ
て、外的要因で圧電音叉に同相モードの振動が印加され
ても、出力される信号を安定化させることができる。

【００５２】また、本発明の電子機器によれば、感光体
ドラムと、その表面電位を測定する上記の電位センサを
備えることによって、外的要因で電子機器に同相モード
の振動が印加されても、感光体ドラムの表面電位を目的
の値に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電位センサの一実施例を示すブロック
図である。

【図２】図１の電位センサの各部における信号の波形を
示す図である。

【図３】本発明の電位センサの別の実施例を示すブロッ
ク図である。

【図４】本発明の電子機器の一実施例を示すブロック図
である。

【図５】従来の電位センサを示すブロック図である。

【図６】図５の電位センサの各部における信号の波形を
示す図である。

【図７】図５の電位センサの各部における信号の波形を
示す別の図である。

【符号の説明】

３、４…圧電音叉の脚 ７…検出用電極 ８…被検出面 ９…発振回路 １０…プリアンプ １１…アンプ １２…検波回路 １３…低域通過フィルタ １４…ＤＣアンプ １５…出力端子 ２０、３０…電位センサ ２１、３１…圧電音叉 ２２…第１の圧電体 ２３、３２…第２の圧電体 ２４、２５…バッファアンプ ２６…加算器 ２７、２８…抵抗 ３３…減算器 ４０…電子機器 ４１…感光体ドラム ４２…制御回路 ４３…コロトロン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの脚を有する圧電音叉のいずれか一
   方の脚に被検出面に対向して検出用電極を設けるととも
   に、前記圧電音叉の一方の脚に第１の圧電体を、他方の
   脚に第２の圧電体をそれぞれ設けてなり、 前記第１および第２の圧電体の少なくとも一方を駆動用
   圧電体とし、前記第１および第２の圧電体の両方を帰還
   用圧電体としたことを特徴とする電位センサ。
2. 【請求項２】 前記駆動用圧電体に入力する信号を直列
   に接続されたインピーダンス素子を介して出力する発振
   回路と、前記２つの帰還用圧電体から出力される信号を
   それぞれ前記インピーダンス素子より入力インピーダン
   スの大きい緩衝器を経由して加算もしくは減算して前記
   発振回路に帰還させる加算器もしくは減算器とを備えた
   ことを特徴とする、請求項１に記載の電位センサ。
3. 【請求項３】 前記検出用電極から出力される信号を前
   記加算器もしくは減算器から出力される信号で同期検波
   する検波回路を備えたことを特徴とする、請求項２に記
   載の電位センサ。
4. 【請求項４】 感光体ドラムと、該感光体ドラムの表面
   電位を測定する請求項１ないし３のいずれかに記載の電
   位センサを備えることを特徴とする電子機器。