JP2002372559A

JP2002372559A - 表面電位検出センサ及び表面電位検出装置

Info

Publication number: JP2002372559A
Application number: JP2001181688A
Authority: JP
Inventors: Takashi Urano; 高志浦野; Tsutomu Kotani; 勉小谷
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定体との距離が変動した場合であっても、
被測定体の電位を正確に検出することができる表面電位
検出センサ及び表面電位検出装置を提供する。【解決手段】表面電位検出センサ１は、電位検知電極１
１と、距離検知電極１２と、第１のシールドケース１３
と、第２のシールドケース１４とを含む。第１のシール
ドケース１３は、第１の検知窓１５を含む。電位検知電
極１１は、第１のシールドケース１３の内部に収納さ
れ、前記第１の検知窓１５に対応して設けられている。
第２のシールドケース１４は、第２の検知窓１６を含
む。距離検知電極１２は、第２のシールドケース１４の
内部に収納され、第２の検知窓１６に対応して設けられ
ている。第１のシールドケース１３及び第２のシールド
ケース１４は、互いに電気的に絶縁され、機械的に結合
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面電位検出セン
サ及び表面電位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の表面電位検出装置は、例えば、
複写機やレーザビームプリンタ等において、被測定面で
ある感光ドラムの表面電位を非接触で検出する手段とし
て用いられる。この種の表面電位検出装置は、検知電極
と感光ドラムとの間の電界を、音叉で機械的に断続する
ことにより、感光ドラムの表面電位に対応した交流信号
を得る。そして、この交流信号を処理することにより、
感光ドラムの表面電位を検出する。

【０００３】表面電位を非接触で検出する表面電位検出
装置は、検知電極と感光ドラムとの距離が変動すると、
表面電位の検出値に誤差が生じる。このため、検知電極
を高い精度で基準位置に取付け、検知電極と感光ドラム
との距離が所定の値になるようにする必要があり、組立
の困難性を招く。しかも、基準位置からの検知電極のず
れを、長期にわたってゼロに維持することは、実際的に
不可能であることを考えると、事実上、検出誤差を回避
することができない。

【０００４】検知電極と感光ドラムとの間の距離変動に
伴う測定誤差を回避する手段として、特公平３−６４６
７号公報は、検知電極に高電圧をフィードバックするこ
とにより、検知電極と感光ドラムとの距離が変動した場
合でも、表面電位の検出値に誤差が生じないようにした
表面電位検出装置を開示している。

【０００５】しかし、この表面電位検出装置は、高電圧
をフィードバックする必要があるため、回路構成が複雑
になるとともに、大型で高価な高耐電圧部品が必要にな
るという問題がある。

【０００６】また、米国特許第４７９７６２０号明細書
は、音叉の機械的振動の振幅を小さくすることにより、
検知電極と感光ドラムとの距離が変動した場合でも、表
面電位の検出値に誤差が生じないようにした表面電位検
出装置を開示している。

【０００７】しかし、この表面電位検出装置では、音叉
の機械的振動の振幅を小さくしているので、検出感度が
低くなり、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができないという
問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、被測
定体との距離が変動した場合であっても、被測定体の電
位を正確に検出することができる表面電位検出センサ及
び表面電位検出装置を提供することである。

【０００９】本発明のもう一つの課題は、被測定体の電
位を高い感度で検出できる表面電位検出センサ及び表面
電位検出装置を提供することである。

【００１０】本発明の更にもう一つの課題は、簡単な回
路構成を持つ表面電位検出センサ及び表面電位検出装置
を提供することである。

【００１１】本発明の更にもう一つの課題は、小型で、
軽量な表面電位検出センサ及び表面電位検出装置を提供
することである。

【００１２】本発明の更にもう一つの課題は、高耐圧部
品を使用しない安価な表面電位検出センサ及び表面電位
検出装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係る表面電位検出センサは、電位検知電
極と、距離検知電極と、第１のシールドケースと、第２
のシールドケースとを含む。前記第１のシールドケース
は、第１の検知窓を含む。前記電位検知電極は、前記第
１のシールドケースの内部に収納され、前記第１の検知
窓に対応して設けられている。前記第２のシールドケー
スは、第２の検知窓を含む。前記距離検知電極は、前記
第２のシールドケースの内部に収納され、前記第２の検
知窓に対応して設けられている。前記第１のシールドケ
ース及び前記第２のシールドケースは、互いに電気的に
絶縁され、機械的に結合されている。

【００１４】本発明に係る表面電位検出センサは、電位
検知電極と距離検知電極とを含む。電位検知電極から
は、被測定体との距離に対応する距離成分と被測定体の
電位に対応する電位成分とを含む電位距離信号が出力さ
れる。距離検知電極からは、被測定体との距離に対応す
る距離信号が出力される。このため、表面電位検出セン
サと前記被測定体との距離が変動した場合であっても、
距離信号を用いて、電位距離信号から距離成分を除去
し、被測定体の電位に対応する信号を生成できるので、
被測定体の電位を距離依存性を有することなく正確に検
出することができる。

【００１５】特に、本発明に係る表面電位検出センサ
は、電位検知電極が収納された第１のシールドケース
と、距離検知電極が収納された第２のシールドケースと
を機械的に結合しているので、距離検知電極と被測定体
との相対距離が、電位検知電極と被測定体との相対距離
と同時に変化する。したがって、距離検知電極で得られ
た距離信号と、電位検知電極で得られた電位距離信号の
距離成分とは同じ距離を示すことになる。このため、電
位距離信号の距離成分を距離信号によって確実に除去
し、被測定体の電位を、距離依存性を有することなく正
確に検出することができる。

【００１６】また、本発明に係る表面電位検出センサ
は、第１のシールドケースと第２のシールドケースとが
電気的に絶縁されているので、第１のシールドケースと
第２のシールドケースとを別々の電位に接地することが
できる。このため、第１のシールドケースに収納された
電位検知電極と、第２のシールドケースに収納された距
離検知電極との相互干渉を回避し、被測定体の電位を正
確に検出することができる。

【００１７】また、本発明に係る表面電位検出センサ
は、電位検知電極が第１のシールドケースに収納され、
距離検知電極が第２のシールドケースに収納されている
ので、これらの各検知電極が、ノイズの影響を受けにく
くなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。

【００１８】しかも、上記構成によれば、高電圧をフィ
ードバックする必要がなくなるので、回路構成が簡単に
なるとともに、大型で高価な高耐電圧部品、例えば，高
圧発生用トランス、整流用の高耐圧ダイオード、整流用
の高耐圧コンデンサ、ＤＣ／ＤＣコンバータ用高耐圧ト
ランスが不要になる。このため、本発明に係る表面電位
検出センサは、小型で安価な低耐圧部品、例えば、耐圧
が数十Ｖ程度の表面実装型部品を用いた簡単な回路で構
成することができ、表面電位検出センサが小型、軽量に
なり、安価になる。

【００１９】また、本発明に係る表面電位検出センサ
は、前記電位検知電極と前記被測定体との間の容量を大
きな振幅で振動させることができるので、検出感度が高
くなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る表面電位検出
センサを用いた表面電位検出装置の使用状態における構
成を概略的に示す図である。図１において、表面電位検
出装置１０は、表面電位検出センサ１と、信号処理回路
２０とを含む。表面電位検出センサ１は、電位検知電極
１１と、距離検知電極１２と、第１のシールドケース１
３と、第２のシールドケース１４と、絶縁体４００とを
含む。第１のシールドケース１３は、第１の検知窓１５
を含む。第２のシールドケース１４は、第２の検知窓１
６を含む。

【００２１】第１のシールドケース１３及び第２のシー
ルドケース１４は、絶縁体４００により、互いに電気的
に絶縁され、かつ、機械的に結合されている。

【００２２】電位検知電極１１は、被測定体４０の被測
定面Ｓの表面電位Ｖｓを、非接触状態で測定すべく、被
測定面Ｓと対向するように配置され、被測定面Ｓに容量
結合されている。電位検知電極１１は、第１のシールド
ケース１３の内部に収納され、第１の検知窓１５に対応
して設けられている。被測定体４０は、感光体ドラム、
帯電した絶縁フィルム等である。帯電した絶縁フィルム
の電位を測定する場合には、接触状態で用い得る。

【００２３】距離検知電極１２は、被測定面Ｓとの距離
を、非接触状態で測定すべく、被測定面Ｓと対向するよ
うに配置され、被測定面Ｓに容量結合されている。距離
検知電極１２は、第２のシールドケース１４の内部に収
納され、第２の検知窓１６に対応して設けられている。

【００２４】表面電位検出センサ１の電位検知電極１１
からは、電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離に対応
する距離成分と、被測定面Ｓの電位に対応する電位成分
とを含む電位距離信号ｓ１が出力される。距離検知電極
１２からは、距離検知電極１２と被測定面Ｓとの距離に
対応する距離信号ｓ２が出力される。

【００２５】信号処理回路２０は、表面電位検出センサ
１から電位距離信号ｓ１と距離信号ｓ２とが入力され
る。信号処理回路２０は、距離信号ｓ２を用いて、電位
距離信号ｓ１から距離成分を除去し、被測定面Ｓの電位
に対応する信号ｓ３を生成する。

【００２６】したがって、電位検知電極１１と被測定面
Ｓとの距離が変動した場合であっても、距離信号ｓ２を
用いて、電位距離信号ｓ１から距離成分を除去し、被測
定面Ｓの電位に対応する信号ｓ３を生成できるので、被
測定面Ｓの電位Ｖｓを距離依存性を有することなく正確
に検出することができる。

【００２７】特に、本実施例に係る表面電位検出センサ
は、電位検知電極１１が収納された第１のシールドケー
ス１３と、距離検知電極１２が収納された第２のシール
ドケース１４とを機械的に結合してあるので、距離検知
電極１２と被測定面Ｓとの相対距離が電位検知電極１１
と被測定面Ｓとの相対距離と同時に変化する。したがっ
て、距離検知電極１２で得られた距離信号ｓ２と、電位
検知電極１１で得られた電位距離信号ｓ１の距離成分と
は同じ距離を示すことになる。このため、電位距離信号
ｓ１の距離成分を距離信号ｓ２によって除去し、被測定
体の電位を距離依存性を有することなく正確に検出する
ことができる。

【００２８】また、本発明に係る表面電位検出センサ
は、第１のシールドケース１３と第２のシールドケース
１４とが電気的に絶縁されているので、第１のシールド
ケース１３と第２のシールドケース１４とを別々の電位
に接地することができる。このため、第１のシールドケ
ース１３に収納された電位検知電極１１と、第２のシー
ルドケース１４に収納された距離検知電極１２との相互
干渉を回避し、被測定体の電位を正確に検出することが
できる。

【００２９】また、本発明に係る表面電位検出センサ
は、電位検知電極１１が第１のシールドケース１３に収
納され、距離検知電極１２が第２のシールドケース１４
に収納されているので、電位検知電極１１及び距離検知
電極１２がノイズの影響を受けにくくなり、Ｓ／Ｎ比が
大きくなる。

【００３０】しかも、上記構成によれば、高電圧をフィ
ードバックする必要がなくなるので、回路構成が簡単に
なるとともに、大型で高価な高耐電圧部品、例えば，高
圧発生用トランス、整流用の高耐圧ダイオード、整流用
の高耐圧コンデンサ、ＤＣ／ＤＣコンバータ用高耐圧ト
ランスが不要になる。このため、本実施例に係る表面電
位検出センサを用いた表面電位検出装置は、小型で安価
な低耐圧部品、例えば、耐圧が数十Ｖ程度の表面実装型
部品を用いた簡単な回路で構成することができ、表面電
位検出センサを用いた表面電位検出装置が小型、軽量に
なり、安価になる。

【００３１】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
を用いた表面電位検出装置は、電位検知電極１１と被測
定面Ｓとの間の容量を大きな振幅で振動させることがで
きるので、検出感度が高くなり、Ｓ／Ｎ比が大きくな
る。

【００３２】本実施例に係る表面電位検出センサにおい
て、第１のシールドケース１３及び第２のシールドケー
ス１４は、金属平板で構成してもよいし、高周波の電波
が進入しない程度に細かい金属メッシュで構成してもよ
い。また、信号処理回路２０は、受動回路素子、能動回
路素子を用いて構成した専用回路として構成してもよい
し、その一部または全部をコンピュータによって構成し
てもよい。また、電位検知電極１１及び距離検知電極１
２の形状は任意であり、板状、線状、円形状、矩形状な
ど、多様な態様を採用し得る。更に、電位検知電極１１
及び距離検知電極１２の構造についても、それが、所定
の要求特性を満たすものである限り、特に限定はない。
例えば、電位検知電極１１は、チョッパ型のものであっ
てもよいし、電子回路的手法により結合容量を変化させ
るものであってもよい。更に、被測定面Ｓは、一般に
は、感光体ドラムの表面であるが、静電帯電したプラス
チックフィルムの表面であることもある。

【００３３】また、表面電位検出センサ１及び信号処理
回路２０は、別々に構成してもよいし、信号処理回路２
０の一部又は全部を表面電位検出センサ１の内部に設け
てもよい。

【００３４】図２は図１に示した表面電位検出センサ及
び表面電位検出装置の更に具体的な実施例を示す分解斜
視図、図３は図２に示した表面電位検出センサ及び表面
電位検出装置の断面図、図４は図２に示した表面電位検
出装置の一部の構成を更に具体的に示す斜視図である。

【００３５】図２、３において、信号処理回路２０は、
表面電位検出センサ１の内部に設けられている。表面電
位検出センサ１は、電位検知電極１１と、距離検知電極
１２と、第１のシールドケース１３と、第２のシールド
ケース１４と、回路基板１９と、絶縁体４００とを含
む。信号処理回路２０は、回路を構成する電子部品（図
示せず）と、図４に示すメカニカルチョッパ２１６とを
含む。メカニカルチョッパ２１６は、音叉部を構成すべ
く、対向して配置された２つの脚に貼付けられた圧電素
子２１７、２１８を含む。

【００３６】第１のシールドケース１３は、金属平板で
構成された第１の上蓋１３１と、第１の下蓋１３２とか
らなり、第１の検知窓１５と、第１の切欠き１７とを含
む。第２のシールドケース１４は、金属平板で構成され
た第２の上蓋１４１と第２の下蓋１４２とからなり、第
２の検知窓１６と、第２の切欠き１８とを含む。回路基
板１９は、１枚の基板でなる。この回路基板１９は、第
１の基板部１９１と、第２の基板部１９２と、連結部１
９３とを含み、連結部１９３が第１の基板部１９１と第
２の基板部１９２とを連結している。

【００３７】第１の検知窓１５は、第１のシールドケー
ス１３の側面１３４に形成され、第２の検知窓１６は、
第２のシールドケース１４の側面１４４に形成され、第
１の検知窓１５及び第２の検知窓１６は、同一面側に形
成されている。電位検知電極１１は、第１の検知窓１５
に対応して設けられ、距離検知電極１２は、第２の検知
窓１６に対応して設けられている。メカニカルチョッパ
２１６は、電位検知電極１１と第１の検知窓１５との間
に設けられている。

【００３８】第１のシールドケース１３及び第２のシー
ルドケース１４は、絶縁体４００を介して、第１のシー
ルドケース１３の側面１３３と、第２のシールドケース
１４の側面１４３とが対向するように配置されている。
第１の切欠き１７は、側面１３３における側面１３４か
ら遠い側に設けられている。第２の切欠き１８は側面１
４３における側面１４４から遠い側に設けられている。

【００３９】回路基板１９は、片面にのみ、回路を構成
する電子部品が搭載され、回路パターンが形成されてい
る。回路基板１９は、第１の切欠き１７と第２の切欠き
１８とをまたいで設けられ、第１の下蓋１３２の開口面
には、第１の基板部１９１が配置されている。第２の下
蓋１４２の開口面には、第２の基板部１９２が配置され
ている。連結部１９３は、第１の切欠き１７と第２の切
欠き１８とに対応して配置されている。

【００４０】第１のシールドケース１３は、第１の上蓋
１３１の開口面と第１の下蓋１３２の開口面とが向合う
ように重合わされている。第２のシールドケース１４
は、第２の上蓋１４１の開口面と第２の下蓋１４２の開
口面とが向合うように重合わされている。電位検知電極
１１、メカニカルチョッパ２１６及び第１の基板部１９
１は、第１のシールドケース１３の内部に収納され、距
離検知電極１２及び第２の基板部１９２は、第２のシー
ルドケース１４の内部に収納されている。

【００４１】本実施例に係る表面電位検出センサは、回
路基板１９が第１のシールドケース１３と第２のシール
ドケース１４との間隔を保持しているので、両者を電気
的に絶縁しつつ、機械的に結合することができる。

【００４２】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
は、側面１３３と側面１４３との間に絶縁体４００が設
けられているので、外部から与えられた応力により回路
基板１９が撓んだ場合でも、第１のシールドケース１３
と第２のシールドケース１４とが接触することがなく、
両者の絶縁を確実に保つことができる。

【００４３】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
を用いた表面電位検出装置は、切欠き１７、１８が設け
られているので、第１のシールドケース１３及び第２の
シールドケース１４を回路基板１９に、容易に位置決め
することができる。

【００４４】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
を用いた表面電位検出装置は、切欠き１７、１８が検知
窓１５、１６から遠い部分に設けられているので、ノイ
ズの影響を受けにくくなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。

【００４５】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
を用いた表面電位検出装置は、回路基板１９の連結部１
９３を小さくすることにより、切欠き１７、１８を小さ
くすることができる。このため、切欠き１７、１８から
電波が進入しにくくなるので、ノイズの影響を受けにく
くなり、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。

【００４６】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
を用いた表面電位検出装置は、回路を構成する電子部品
が同一の回路基板に搭載されているので、回路基板に電
子部品を搭載する作業が容易になる。

【００４７】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
を用いた表面電位検出装置は、回路を構成する電子部品
が同一の回路基板に搭載されているので、回路パターン
による配線が可能となり、コネクタや、ワイヤを用いる
必要がなくなる。このため、部品点数を減らすことがで
き、低コスト化を図ることができる。また、コネクタ
や、ワイヤを用いる必要がなくなるので、線路から生じ
るノイズを低減することができ、Ｓ／Ｎ比が大きくな
る。

【００４８】また、実施例に示すように、電位検知電極
１１と距離検知電極１２との距離は、小さくすることが
好ましい。電位検知電極１１と距離検知電極１２との距
離が小さい場合には、電位検知電極１１と被測定面Ｓと
の間の相対距離と、距離検知電極１２と被測定面Ｓとの
間の相対距離との差が小さくなるので、検出精度が高く
なる。

【００４９】図５は、本発明に係る表面電位検出センサ
の別の実施例を示す部分断面拡大図であり、距離検知電
極と第２のシールドケースとを拡大した図である。図５
においては、図１〜図４に現れた構成部分と同一の構成
部分については、同一の参照符号を付してある。

【００５０】図５に示す表面電位検出センサは、図１〜
図４に示した構成に加えて、誘電体５１０を含む。誘電
体５１０は、第２のシールドケース１４の内側及び外側
から第２の検知窓１６を塞いで設けられている。距離検
知電極１２は、誘電体５１０の表面に形成され、誘電体
５１０と一体化されている。誘電体５１０は、有機系、
無機系、複合系のいずれであってもよい。

【００５１】本実施例に係る表面電位検出センサは、誘
電体５１０が第２の検知窓１６を塞いでいるので、第２
のシールドケース１４の内部を塵や湿度等から保護する
ことができる。

【００５２】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
は、距離検知電極１２と被測定面Ｓとの間に誘電体５１
０が設けられている。このため、距離検知電極１２と被
測定面Ｓとの間の誘電率が大きくなり、検出精度が向上
する。

【００５３】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
は、第２の検知窓１６に備えられた誘電体５１０の表面
に距離検知電極１２を形成しているので、距離検知電極
１２の取付けが容易になる。

【００５４】また、本実施例に係る表面電位検出センサ
は、第２の検知窓１６に備えられた誘電体５１０の表面
に距離検知電極１２を形成しているので、距離検知電極
１２の取付け精度にばらつきが生じにくくなり、検出精
度が向上する。

【００５５】図６は、本発明に係る表面電位検出センサ
の更に別の実施例を示す部分断面拡大図であり、距離検
知電極と第２のシールドケースとを拡大した図である。
図６においては、図５に現れた構成部分と同一の構成部
分については、同一の参照符号を付してある。

【００５６】図６に示す表面電位検出センサは、図５に
示した誘電体５１０に替えて誘電体５２０を含む。誘電
体５２０は、第２のシールドケース１４の内側から検知
窓１５を塞いで設けられている。そして、距離検知電極
１２は、誘電体５２０の表面に形成されされ、誘電体５
２０と一体化されている。

【００５７】本実施例に係る表面電位検出センサは、図
５に示した表面電位検出センサと同様の構成を有するた
め、同様の作用効果を奏することができる。

【００５８】図７は本発明に係る表面電位検出センサを
用いた表面電位検出装置の更に別の実施例を示す分解斜
視図である。図８は、図７に示した表面電位検出装置の
断面図である。

【００５９】図７、８においては、図１〜図４に現れた
構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号
を付してある。図７、図８に示す表面電位検出装置は、
図１〜図４に示した構成に加えて、絶縁基板６０とねじ
７０と金属部材８０とを含む。

【００６０】絶縁基板６０は、剛性の高い基板であり、
一方面にエンボス６１が形成されている。第１の下蓋１
３２、第２の下蓋１４２には、エンボス６１に対応する
穴が形成されている。回路基板１９には、ねじ７０に対
応する穴が形成されている。

【００６１】そして、本実施例に係る表面電位検出セン
サを用いた表面電位検出装置は、第１の下蓋１３２、第
２の下蓋１４２に形成された穴とエンボス６１とが対応
するように、第１の下蓋１３２及び第２の下蓋１４２が
絶縁基板６０に搭載され、接着剤等で固定されている。
回路基板１９は、エンボス６１の上に搭載され、エンボ
ス６１にはめ込まれたねじ７０で固定される。

【００６２】メカニカルチョッパ２１６は、金属部材８
０を介して第１の下蓋１３２に固定され、第１の下蓋１
３２と電気的に接続される。そして、第１の下蓋１３２
及び第２の下蓋１４２に、第１の上蓋１３１及び第２の
上蓋１４１が重合わされる。

【００６３】本実施例に係る表面電位検出装置は、回路
基板１９がエンボス６１を介して第１の下蓋１３２及び
第２の下蓋１４２に搭載されているので、回路基板１９
の両面に回路を構成する電子部品を搭載し、回路パター
ンを形成することができる。

【００６４】また、本実施例に係る表面電位検出装置
は、絶縁基板６０が剛性を有するため、外部から応力が
加えられた場合であっても、表面電位検出センサを用い
た表面電位検出装置が撓むことがない。

【００６５】図９は、図１に示した表面電位検出装置の
構成を更に具体的に示すブロック図、図１０は、図９に
示した表面電位検出装置の一部の構成を更に具体的に示
す回路図である。

【００６６】図９において、信号処理回路２０は、電位
検出回路２１と、変位検出回路２２と、演算回路２３と
を含む。電位検出回路２１は、インピーダンス変換回路
２１１と、第１の増幅器２１２と、第１の整流平滑回路
２１３と、第１のレベルシフト回路２１４と、変調信号
発生回路２１５と、メカニカルチョッパ２１６とを含
む。変位検出回路２２は、信号発生器２２１と、非反転
増幅回路２２２と、第２の増幅器２２３と、第２の整流
平滑回路２２４と、減算回路２２５と、第２のレベルシ
フト回路２２６と、第１の除算回路２２７とを含む。

【００６７】図１０に示す信号発生器２２１は、オペア
ンプＡ１と、抵抗Ｒ１、Ｒ２と、信号源ＶＧとを含む。
信号源ＶＧの一端は接地電位である第１基準電位ＧＮＤ
１に接地されている。オペアンプＡ１は、非反転入力端
子が接地されている。オペアンプＡ１の反転入力端子
は、抵抗Ｒ１を介して信号源ＶＧの他端に接続されると
ともに、抵抗Ｒ２を介して出力端子に接続されている。
オペアンプＡ１の出力端子は、信号発生器２２１の出力
端子となる。

【００６８】非反転増幅回路２２２は、オペアンプＡ２
と、抵抗Ｒ３とを含む。オペアンプＡ２の反転入力端子
は、距離検知電極１２に接続されるとともに、抵抗Ｒ３
を介して出力端子に接続されている。オペアンプＡ２の
非反転入力端子は信号発生器２２１の出力端子に接続さ
れている。オペアンプＡ２の出力端子は、非反転増幅回
路２２２の出力端子となる。

【００６９】回路を構成する電子部品であるインピーダ
ンス変換回路２１１、第１の増幅器２１２、第１の整流
平滑回路２１３、第１のレベルシフト回路２１４、変調
信号発生回路２１５、信号発生器２２１、非反転増幅回
路２２２、第２の増幅器２２３、第２の整流平滑回路２
２４、減算回路２２５、第２のレベルシフト回路２２
６、第１の除算回路２２７、演算回路２３は、回路基板
１９の片面に搭載されている。

【００７０】そして、インピーダンス変換回路２１１、
第１の増幅器２１２、第１の整流平滑回路２１３、第１
のレベルシフト回路２１４、変調信号発生回路２１５、
信号発生器２２１、第２の整流平滑回路２２４、減算回
路２２５、第２のレベルシフト回路２２６、第１の除算
回路２２７、演算回路２３は、第１のシールドケース１
３に収納され、非反転増幅回路２２２、第２の増幅器２
２３は、第２のシールドケース１４に収納されている。

【００７１】本実施例においては、被測定面Ｓは直流高
圧電源ＶＤＣに接続され、被測定面Ｓの表面電位Ｖｓ
は、第１基準電位ＧＮＤ１に対して、例えば、０Ｖから
−１０００Ｖまで変化する。

【００７２】電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離は
Ｌ１であり、その静電容量がＣ１となる。距離検知電極
１２と被測定面Ｓとの距離Ｌ２は、距離Ｌ１と同じ値に
設定されており、その静電容量がＣ２となる。

【００７３】図１１、図１２は、図９に示した表面電位
検出装置１０の動作波形図である。以下、図９、図１
１、図１２を用いて、表面電位検出装置１０の動作を説
明する。まず、表面電位検出装置１０の静電容量Ｃ２
は、誘電率をε₀とし、実効面積をＳ２とすると、Ｃ２
＝ε₀＊Ｓ２／Ｌ２となる。ここで、距離検知電極１２
と被測定面Ｓとの間には空気のみが存在するので、誘電
率ε₀は一定であり、実効面積Ｓ２も一定である。その
ため、静電容量Ｃ２は、距離Ｌ２の変化のみに依存し、
静電容量Ｃ２は、距離Ｌ２の逆数に比例する。静電容量
Ｃ２が距離Ｌ２の変化に依存して変化するので、距離検
知電極１２から出力される信号は、被測定面Ｓとの距離
Ｌ２に対応する距離信号ｓ２となる。

【００７４】信号発生器２２１は、信号源ＶＧから入力
された信号を、オペアンプＡ１で反転増幅し、信号ｓ２
１を出力する。信号ｓ２１を図１１（ａ）に示す。信号
ｓ２１は、周期と振幅が一定のＡＣ信号であり、例え
ば、周波数が１０ｋＨｚの正弦波とすることができる。

【００７５】非反転増幅回路２２２は、信号発生器２２
１から入力された信号ｓ２１を増幅して出力する。信号
ｓ２１の周波数をｆとすると、距離検知電極１２と被測
定面Ｓとの間のインピーダンスＸｃは、Ｘｃ＝１／（２πｆ＊Ｃ２）となり、非反転増幅回路２２２の増幅率は（Ｘｃ＋Ｒ
３）／Ｘｃとなる。この非反転増幅回路２２２の出力端
子から出力される電圧Ｖｏｕｔは、信号ｓ２１の振幅を
Ｖｍとすると、Ｖｏｕｔ＝｛（Ｘｃ＋Ｒ３）／Ｘｃ｝＊Ｖｍと表せる。

【００７６】信号ｓ２１の振幅Ｖｍ、周波数ｆは一定で
あるから、Ｖｏｕｔ＝｛（Ｘｃ＋Ｒ３）／Ｘｃ｝＊Ｖｍ＝（１＋Ｒ３／Ｘｃ）＊Ｖｍ＝（１＋Ｒ３＊２πｆ＊Ｃ２）＊Ｖｍ＝（１＋Ｒ３＊２πｆ＊ε₀＊Ｓ２／Ｌ２）＊Ｖｍとなり、電圧Ｖｏｕｔは、距離Ｌ２の変化のみに依存し
て変化するＡＣ信号となる。

【００７７】第２の増幅器２２３、第２の整流平滑回路
２２４、減算回路２２５、第２のシールドケース１４
は、信号ｓ２１と同じ電位の第２基準電位ＧＮＤ２に接
地されている。第２の増幅器２２３は、非反転増幅回路
２２２から入力されたＡＣ信号を交流増幅して信号ｓ２
２を出力する。信号ｓ２２を図１１（ｂ）に示す。

【００７８】第２の整流平滑回路２２４は、信号ｓ２２
を整流平滑して信号ｓ２３を出力する。信号ｓ２３を図
１１（ｃ）に示す。この第２の整流平滑回路２２４は、
第２基準電位ＧＮＤ２に接地されているため、第２基準
電位ＧＮＤ２を基準にして、信号ｓ２２を整流し、平滑
する。

【００７９】減算回路２２５は、信号ｓ２３から信号ｓ
２１を減算して出力する。この減算回路２２５から出力
される信号は、直流の信号となる。

【００８０】第２のレベルシフト回路２２６は、減算回
路２２５から入力された信号のレベルを調整して信号Ｖ
ｂを出力する。信号Ｖｂを図１１（ｄ）に示す。

【００８１】第２のレベルシフト回路２２６は、可変抵
抗を用いてゲインを調整可能にした非反転増幅回路等を
用いて構成してもよい。場合によっては、省略すること
も可能である。

【００８２】第１の除算回路２２７は、信号Ｖｂを基準
電圧Ｖｒｅｆで除算して、変位信号Ｖｃを出力する。基
準電圧Ｖｒｅｆは、距離検知電極１２が基準位置にある
とき、レベルシフト回路２２６から出力される信号と同
じ値に設定されている。したがって、変位信号Ｖｃは、
基準位置からの変位に対応する信号となる。変位信号Ｖ
ｃを図１１（ｅ）に示す。

【００８３】一方、第１のシールドケース１３は、接地
電位である第１基準電位ＧＮＤ１に接地されている。電
位検出回路２１の変調信号発生回路２１５は、一定の周
波数の信号、例えば、７００Ｈｚの信号を出力する。メ
カニカルチョッパ２１６は、変調信号発生回路２１５か
ら入力された信号の周波数で、被測定面Ｓと電位検知電
極１１との間に挿入される。メカニカルチョッパ２１６
が挿入されると、被測定面Ｓと電位検知電極１１との間
の誘電率がΔε₀だけ変化し、静電容量Ｃ１がΔＣ１だ
け変化する。

【００８４】電位検知電極１１に発生する電荷ΔＱは、
実効面積をＳ１とし、被測定面Ｓと電位検知電極１１と
の間の電位差をＶ１とすると、 ΔＱ＝（Δε₀Ｓ１／Ｌ１）＊Ｖ１＝ΔＣ１＊Ｖ１と表せる。したがって、電位検知電極１１に誘起される
変調電流ｉは、ｉ＝ΔＱ／Δｔ＝（Δε₀Ｓ１／Ｌ１）＊Ｖ１／Δｔ＝ΔＣ１＊Ｖ１／Δｔと表せる。変調電流ｉは、電位検知電極１１と被測定面
Ｓとの距離に対応する距離成分Ｌ１と、被測定面の電位
に対応する電位成分Ｖ１とを含む。そして、電位検知電
極１１は、変調電流ｉを電位距離信号ｓ１として出力す
る。

【００８５】インピーダンス変換回路２１１は、電位検
知電極１１から入力された電位距離信号ｓ１を電圧信号
に変換すると同時に、ハイ・インピーダンスをロー・イ
ンピーダンスに変換し、扱い易い信号にして出力する。

【００８６】第１の増幅器２１２は、インピーダンス変
換回路２１１から入力された信号をＡＣ増幅して信号ｓ
１１を出力する。信号ｓ１１を図１２（ａ）に示す。信
号ｓ１１は、変調信号発生回路２１５から出力される信
号と同一の周波数、例えば、７００Ｈｚの略正弦波信号
となる。

【００８７】第１の整流平滑回路２１３は、信号ｓ１１
をＤＣ信号に変換して、被測定面Ｓの電位Ｖｓに対応す
る成分と変位信号に比例する成分とが乗算された信号を
出力する。

【００８８】第１のレベルシフト回路２１４は、第１の
整流平滑回路２１３から入力された信号のＤＣレベルを
調整して、電位変位信号Ｖａを出力する。電位変位信号
Ｖａを図１２（ｂ）に示す。

【００８９】第１のレベルシフト回路２１４は、第２の
レベルシフト回路２２６と同様の非反転増幅回路を用い
て構成することができる。場合によっては、省略するこ
とも可能である。

【００９０】演算回路２３は、電位変位信号Ｖａと変位
信号Ｖｃとが入力され、電位変位信号Ｖａから変位信号
Ｖｃを除算して、信号ｓ３を生成する。信号ｓ３を図１
２（ｃ）に示す。この信号ｓ３は、被測定面Ｓの表面電
位Ｖｓに対応する信号となる。

【００９１】次に、表面電位検出装置１０と被測定面Ｓ
との距離が変動した場合に、電位検知電極１１と被測定
面Ｓとの距離Ｌ１に対応する距離成分を除去して出力す
る方法について説明する。図１３に、被測定面Ｓの表面
電位Ｖｓと信号Ｖｂとの関係を示し、図１４に、被測定
面Ｓの表面電位Ｖｓと電位変位信号Ｖａとの関係を示
す。

【００９２】図１３、図１４に示すように、信号Ｖｂは
表面電位Ｖｓには依存せず、距離Ｌ２に依存する。電位
変位信号Ｖａは、表面電位Ｖｓに比例し、かつ、距離Ｌ
１に依存する。

【００９３】本実施例においては、被測定面Ｓと電位検
知電極１１との距離Ｌ１が、被測定面Ｓと距離検知電極
１２との距離Ｌ２と同一であるため、距離Ｌ１（＝Ｌ
２）が変化したとき静電容量Ｃ１、Ｃ２は同じ割合だけ
変化する。そのため、距離Ｌ１が変動したときの信号Ｖ
ｂの変化量は、電位変位信号Ｖａの変化量に比例する。

【００９４】したがって、距離Ｌ１＝ｘ１、ｘ２である
とき、電位変位信号Ｖａ＝Ｖａ（ｘ１）、Ｖａ（ｘ
２）、信号Ｖｂ＝Ｖｂ（ｘ１）、Ｖｂ（ｘ２）とする
と、Ｖａ（ｘ１）／Ｖａ（ｘ２）＝Ｖｂ（ｘ１）／Ｖｂ（ｘ
２）と表せる。ここで、ｘ１を基準位置、Ｖｂ（ｘ１）を基
準電圧（Ｖｒｅｆ）と定めれば、Ｖａ（ｘ１）＝Ｖａ
（ｘ２）／（Ｖｂ（ｘ２）／Ｖｒｅｆ）＝Ｖａ（ｘ２）
／Ｖｃとなる。

【００９５】表面電位検出装置１０においては、距離Ｌ
１が基準位置（ｘ１）から変動したｘ２にあるとき、Ｖ
ａ（ｘ２）、Ｖｂ（ｘ２）が検出される。したがって、
Ｖａ（ｘ２）、Ｖｂ（ｘ２）を上式に代入すれば、被測
定面Ｓの電位Ｖｓを距離依存性を有することなく正確に
検出することができる。

【００９６】このように表面電位検出装置１０の信号処
理回路２０は、変位検出回路２２が変位信号Ｖｃ＝Ｖｂ
／Ｖｒｅｆを出力し、電位検出回路２１が電位変位信号
Ｖａを出力する。そして、信号処理回路２０の演算回路
２３は、電位変位信号Ｖａから変位信号Ｖｃを除算する
ことにより、電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離Ｌ
１に対応する成分を除去することができ、被測定面Ｓの
表面電位Ｖｓに対応する信号ｓ３を出力することができ
る。

【００９７】図１５に、表面電位Ｖｓの検出結果を示
す。図１５は、基準位置（ｘ１）を３ｍｍとし、距離Ｌ
１が基準位置から変動した場合の表面電位Ｖｓの検出結
果を示す図である。図１５において、本発明に係る表面
電位検出装置１０により検出した信号ｓ３を実線で示
し、従来の高圧フィードバック型の電位検出装置により
検出した結果を一点鎖線で示す。

【００９８】図１５に示すように、本発明に係る表面電
位検出装置１０は、被測定面Ｓと電位検知電極１１との
距離Ｌ１が変動した場合であっても、被測定面Ｓの電位
Ｖｓを距離依存性を有することなく正確に検出すること
ができる。

【００９９】また、本実施例に係る表面電位検出装置
は、インピーダンスが高い部分である電位検知電極１
１、インピーダンス変換回路２１１、第１の増幅器２１
２が第１のシールドケース１３に収納され、インピーダ
ンスが高い部分である距離検知電極１２、非反転増幅回
路２２２、第２の増幅器２２３が第２のシールドケース
１４に収納され、第１のシールドケース１３が第１基準
電位ＧＮＤ１に接地され、第２のシールドケース１４が
第２基準電位ＧＮＤ２に接地されている。このため、イ
ンピーダンスが高い部分がノイズの影響を受けにくくな
るので、Ｓ／Ｎ比が大きくなる。

【０１００】また、本実施例に係る表面電位検出装置
は、回路基板１９の片面にのみ電子部品が搭載され、回
路パターンが形成されている。このため、回路基板１９
を第１のシールドケース１３及び第２のシールドケース
１４に配置する際に、第１のシールドケース１３及び第
２のシールドケース１４と、回路基板１９の他面との間
を絶縁する必要がなくなるので、製造が容易になる。

【０１０１】また、本発明に係る表面電位検出装置にお
いて、インピーダンスが低い部分である第１の整流平滑
回路２１３、第１のレベルシフト回路２１４、変調信号
発生回路２１５、信号発生器２２１、第２の整流平滑回
路２２４、減算回路２２５、第２のレベルシフト回路２
２６、第１の除算回路２２７、演算回路２３は、第１の
シールドケース１３に収納されていなくてもよく、第１
のシールドケース１３及び第２のシールドケース１４の
外部に設けてもよい。

【０１０２】また、本発明に係る表面電位検出装置にお
いて、距離検知電極１２と被測定面Ｓとの距離Ｌ２は、
電位検知電極１１と被測定面Ｓとの距離Ｌ１と異なった
値でもよい。但し、実施例に示したように、これらの距
離が同じ値である場合には、信号処理が容易になる。

【０１０３】図１６は、本発明に係る表面電位検出セン
サを用いた表面電位検出装置の更に別の実施例を示すブ
ロック図である。図１６においては、図９に現れた構成
部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付
してある。

【０１０４】図１６に示す表面電位検出装置は、電位検
知電極１１と、距離検知電極１２と、第１のシールドケ
ース１３と、第２のシールドケース１４と、電位検出回
路３１と、変位検出回路２２と、演算回路２３とを含
む。

【０１０５】電位検出回路３１は、インピーダンス変換
回路２１１と、第１の増幅器２１２と、第１の整流平滑
回路２１３と、第１のレベルシフト回路２１４と、変調
信号発生回路２１５と、静止電極３１７と、インピーダ
ンス発生器３１８とを含む。被測定面Ｓと電位検知電極
１１とは、静止電極３１７を介して対向し、静電容量Ｃ
１を構成しているインピーダンス発生器３１８と静止電
極３１７とは、第１のシールドケース１３に収納されて
いる。静止電極３１７は、導電性材料、例えば、金属材
料により構成することができる。

【０１０６】インピーダンス発生器３１８の一端は静止
電極３１７に電気的に接続されており、他端は第１のシ
ールドケース１３に電気的に接続されている。

【０１０７】変調信号発生回路２１５は、一定の周波数
の信号、例えば、７００Ｈｚの信号を出力する。

【０１０８】インピーダンス発生器３１８は、変調信号
発生回路２１５から入力された信号の周波数で、静止電
極３１７のインピーダンスを周期的に変化させる。この
静止電極３１７のインピーダンスは、例えば、周波数７
００Ｈｚの正弦波状に変化する。

【０１０９】静止電極３１７のインピーダンスが変化す
ると、静電容量Ｃ１が変化し、電位検知電極１１から電
位距離信号ｓ１が出力される。この動作は、基本的に
は、図１〜図１５を参照して説明した表面電位検出装置
の動作と異なることはない。

【０１１０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。（ａ）被測定面Ｓとの距離が変動した場合であっても、
被測定体の電位を正確に検出することができる表面電位
検出センサを提供することができる。（ｂ）被測定体の電位を高い感度で検出できる表面電位
検出センサを提供することができる。（ｃ）簡単な回路構成を持つ表面電位検出センサを提供
することができる。（ｄ）小型で、軽量な表面電位検出センサを提供するこ
とができる。（ｅ）高耐圧部品を使用しない安価な表面電位検出セン
サを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る表面電位検出センサを用いた表面
電位検出装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】図１に示した表面電位検出装置の更に具体的な
実施例を示す分解斜視図である。

【図３】図２に示した表面電位検出装置の断面図であ
る。

【図４】図２に示した表面電位検出装置の一部の構成を
更に具体的に示す斜視図である。

【図５】本発明に係る表面電位検出センサの別の実施例
を示す部分断面拡大図である。

【図６】本発明に係る表面電位検出センサの更に別の実
施例を示す部分断面拡大図である。

【図７】本発明に係る表面電位検出センサを用いた表面
電位検出装置の更に別の実施例を示す分解斜視図であ
る。

【図８】図７に示した表面電位検出装置の断面図であ
る。

【図９】図１に示した表面電位検出装置の構成を更に具
体的に示すブロック図である。

【図１０】図９に示した表面電位検出装置の一部の構成
を更に具体的に示す回路である。

【図１１】本発明に係る表面電位検出装置の動作波形を
示す図である。

【図１２】本発明に係る表面電位検出装置の動作波形を
示す別の図である。

【図１３】本発明に係る表面電位検出装置の表面電位Ｖ
ｓと信号Ｖｂとの関係を示す図である。

【図１４】本発明に係る表面電位検出装置の表面電位Ｖ
ｓと電位変位信号Ｖａとの関係を示す図である。

【図１５】本発明に係る表面電位検出装置の表面電位Ｖ
ｓの検出結果を示す図である。

【図１６】本発明に係る表面電位検出センサを用いた表
面電位検出装置の更に別の実施例を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１表面電位検出センサ１０表面電位検出装置１１電位検知電極１２距離検知電極１３第１のシールドケース１４第２のシールドケース２０信号処理回路４００絶縁体４０被測定体ｓ１電位距離信号ｓ２距離信号ｓ３被測定体の電位に対応する信号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電位検知電極と、距離検知電極と、第１
のシールドケースと、第２のシールドケースとを含む表
面電位検出センサであって、前記第１のシールドケースは、第１の検知窓を含み、前記電位検知電極は、前記第１のシールドケースの内部
に収納され、前記第１の検知窓に対応して設けられ、前記第２のシールドケースは、第２の検知窓を含み、前記距離検知電極は、前記第２のシールドケースの内部
に収納され、前記第２の検知窓に対応して設けられ、前記第１のシールドケース及び前記第２のシールドケー
スは、互いに電気的に絶縁され、機械的に結合されてい
る表面電位検出センサ。
【請求項２】請求項１に記載された表面電位検出セン
サであって、前記第１の検知窓及び前記第２の検知窓は、同一面側に
備えられている表面電位検出センサ。
【請求項３】請求項１又は２に記載された表面電位検
出センサであって、前記第２の検知窓には、誘電体が備えられている表面電
位検出センサ。
【請求項４】請求項３に記載された表面電位検出セン
サであって、前記距離検知電極は、前記誘電体と一体である表面電位
検出センサ。
【請求項５】請求項１乃至４の何れかに記載された表
面電位検出センサであって、更に、回路基板を含み、前記第１のシールドケースは、第１の切欠きを含み、前記第１の切欠きは、前記第２のシールドケースに対向
する側面に設けられ、前記第２のシールドケースは、第２の切欠きを含み、前記第２の切欠きは、前記第１のシールドケースに対向
する側面に設けられ、前記回路基板は、前記第１の切欠きと前記第２の切欠き
とをまたいで設けられている表面電位検出センサ。
【請求項６】請求項５に記載された表面電位検出セン
サであって、前記第１の検知窓及び前記第２の検知窓は、側面に形成
され前記第１の切欠きは、前記第２のシールドケースに
対向する側面であって、前記第１の検知窓が形成された
側面から遠い側に設けられ、前記第２の切欠きは、前記第１のシールドケースに対向
する側面であって、前記第２の検知窓が形成された側面
から遠い側に設けられている表面電位検出センサ。
【請求項７】請求項５又は６に記載された表面電位検
出センサであって、前記回路基板は第１の基板部と、第２の基板部と、連結
部とを含み、前記第１の基板部は、前記第１のシールドケースの内部
に収納され、前記第２の基板部は、前記第２のシールドケースの内部
に収納され、前記連結部は、前記第１の基板部と前記第２の基板部と
を連結し、前記第１の切欠きと前記第２の切欠きとに対
応して配置されている表面電位検出センサ。
【請求項８】請求項１乃至７の何れかに記載された表
面電位検出センサであって、前記第１のシールドケースは、第１の上蓋と第１の下蓋
とを含み、前記第１の上蓋及び前記第１の下蓋は、一面が開口面と
なっており、前記開口面が互いに向合うように重合わさ
れ、前記第２のシールドケースは、第２の上蓋と第２の下蓋
とを含み、前記第２の上蓋及び前記第２の下蓋は、一面が開口面と
なっており前記開口面が互いに向合うように重合わさ
れ、前記第１の下蓋及び前記第２の下蓋の開口面には、前記
回路基板が配置されている表面電位検出センサ。
【請求項９】請求項８に記載された表面電位検出セン
サであって、前記回路基板は、片面にのみ、電子部品が搭載され、か
つ、回路パターンが形成されている表面電位検出セン
サ。
【請求項１０】請求項１乃至９の何れかに記載された
表面電位検出センサであって、絶縁体を含み、前記絶縁
体は、前記第１のシールドケースの側面と前記第２のシ
ールドケースの側面とを接合している表面電位検出セン
サ。
【請求項１１】表面電位検出センサと、信号処理回路
とを含む表面電位検出装置であって、前記表面電位検出センサは、請求項１乃至１０の何れか
に記載されたものでなり、前記信号処理回路は、前記電位検知電極から入力された
電位距離信号と、前記距離検知電極から入力された距離
信号とから、前記被測定体の電位に対応する信号を生成
する表面電位検出装置。