JP2006105937A - 電位センサ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容量形センサとして構成することで電位センサの検出感度、温度特性などの特性を改善することである。
【解決手段】電位センサは、被測定体１６の電位による静電引力に応じて変位可能な弾性体薄膜形状の可動電極１０或いは弾性体薄膜上に形成された可動電極１０と、可動電極１０に対向して設けられた固定電極１１と、可動電極１０と固定電極１１で形成される容量を検出する回路素子１５と、を備え、検出結果に基づいて被測定体１６の電位を検出する。可動電極１０と固定電極１１と回路素子１６は基板１４上に集積して形成、或いは実装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で被測定体の表面電位を測定する電位センサに関し、より詳しくは、電子写真方式の複写機、プリンタ等の画像形成装置の感光ドラム表面などの電位を測定するのに適した電位センサ、及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。

電子写真方式の複写機、プリンタ等において、印刷出力画質の安定化のために、帯電された感光ドラムの電位を測定してフィードバックを行い、さまざまな環境下においても帯電量を一定に保つ必要がある。そのために感光ドラムの電位を測定する電位センサが用いられている。

従来より、この種の電位センサとしては、チョッパ型、振動容量形と呼ばれる機械的手段により被測定体表面と検出電極との間の容量を変化させ、それにより検出電極に誘起される電荷変動を検出信号として取り出すものが用いられている。

さらに近年では、小型化のために、マイクロマシニング技術を用いた電位センサも提案されている。この種の電位センサの一例を図６に示す（特許文献１参照）。この電位センサは、半導体基板からなり、半導体基板の周囲の支持部６０と、中央の可動電極部６１と、この可動電極部６１を可動に支持部６０に連結する２つの梁部６２によって構成される。２つの梁部６２には、ピエゾ抵抗器からなる歪みゲージ６３が形成されている。被測定体からの静電引力により可動電極部６１が変位し、その変位により梁部６２が歪み、その歪みが歪みゲージ６３により検出される。

この電位センサでは、前述の機械的手段を用いる従来の電位センサとは異なり、被測定体の静電引力により検出電極部を変位させ、その変位から被測定体の電位を測定していて、小型化の点では有利である。
特開平5-249165号公報

しかしながら、一般的に半導体歪みゲージは、構造が単純でありまた製造プロセスが容易である反面、比較的感度が低いため高精度化に対しては課題が残る。

上記課題に鑑み、本発明の電位センサは、被測定体の電位による静電引力に応じて変位可能な弾性体薄膜形状の可動電極（例えば、後述の実施例１の薄膜平板状の可動電極や、実施例２のメサ型の可動電極４０）或いは弾性体薄膜上に形成された可動電極（例えば、後述の可動電極を可動基板と別体にしたもの）と、可動電極に対向する固定電極と、可動電極と固定電極で形成される容量を検出する回路素子と、を備え、検出結果に基づいて被測定体の電位を検出することを特徴とする。また、本発明の画像形成装置は、上記の電位センサと、電位センサの検出結果を用いて画像形成の制御を行う画像形成手段を備えたことを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の電位測定方法は、被測定体の電位による静電引力に応じて変位可能な様に弾性体薄膜形状の可動電極或いは弾性体薄膜上に形成された可動電極を被測定体に対して配置し、前記可動電極に対向して固定電極を固定して配置し、被測定体の電位に依存する前記可動電極と前記固定電極で形成される容量の検出結果に基づいて被測定体の電位を検出することを特徴とする。この電位測定方法は、後述する実施形態や実施例の構成により好適に実施される。

本発明によれば容量形の電位センサとして構成されるので、検出感度、温度特性などの特性を改善することができる。

本発明の電位センサの一実施形態では、被測定体の電位により発生する静電引力に応じて変位可能な弾性体薄膜形状の可動電極或いは弾性体薄膜上に形成された可動電極と、可動電極に対向して設けられた固定電極と、可動電極と固定電極で形成される容量を検出する回路素子を備え、可動電極と固定電極と回路素子を基板上に集積して形成、或いは実装している。可動電極は、その周りの一部で基板に対して支持、固定されてもよいし、その周りの全部で基板に対して支持、固定されていて、基板には、可動電極と基板の間の空間を外気に通じさせるための孔が形成されていてもよい。

本実施形態の如き容量形のセンサでは、実装、配線等で生じる寄生容量が精度を決める上で問題となる。したがって、本実施形態では、マイクロマシン技術により、基板上に容量形成用の可動電極と固定電極を形成し、検出回路をこれらの電極の近傍に配置することで配線の寄生容量を低減している。検出回路の配置の方法としては、基板にフリップチップ実装する方法や、半導体基板を用いて回路を集積する方法などがある。

また、電位を持つ被測定体からの静電引力による可動電極の変位を容量の変化として検出する本実施形態の様な容量形のセンサは、温度特性の良さ、高感度化の容易さ、構造的な応力の悪影響の少なさを特徴とする。これらの特徴は、容量値が構造的要因（電極の面積や電極間の間隔）でほぼ規定されることに起因する。

本実施形態の如くマイクロマシン技術で製造される電位センサでは、その検出感度、温度特性などの特性を改善することができる。また、個々のセンサのバラツキを低減し、検出回路の調整を少なくすることができる。こうして、マイクロマシン技術の持つ小型化、低コスト化の特徴に加え、高精度化することができる。これに対して、上述の半導体歪みゲージは、比較的感度が低いため、作製プロセスのばらつきや残留応力、熱応力の寄与が無視できない。このため、オフセットや感度の温度シフトがあり、作製された個々のセンサに対して特性を調整する必要がある。こうして、高精度化に対しては課題が残る。

以下、図を用いて具体的な実施例を示す。
（実施例１）
第１の実施例は電位センサに関する。図１（a）は本実施例の構成を示す上面図である。図１（ｂ）は図１（a）のA-A’線に沿った側断面図である。センサの構成要素は、可動電極１０、固定電極１１、可動電極固定台１２、１３、基板１４、検出回路１５である。側断面図には電位センサの測定対象である被測定体１６も示してある。尚、上面図である図１（a）では他の構成要素が見えなくなるため、被測定体１６は省略した。また、上面図である図１（a）では、最上面にある可動電極１０の下部にある固定電極１１、可動電極固定台１２、１３には色（黒）が付けられている。

図１での配置について説明する。固定電極１１は基板１４の上面にある。その両側（図１（a）における上下側）には、高さの等しい可動電極固定台１２、１３が配置されている。薄膜平板状の可動電極１０は、２つの可動電極固定台１２、１３の上面に固定電極１１を覆うように固定されている。可動電極固定台１２、１３の高さは等しくして、可動電極１０を固定電極１１に対して平行で所定の間隔になるように配置している。可動電極１０の面積は固定電極１１の面積より大きくなっている。両者は同面積であって、対向して平行に設けられていればよいのであるが、この面積の大小関係は製造上の都合によるものである。検出回路１５は基板１４の上面に実装されている。上面図での位置関係では、検出回路１５は可動電極１０の近くに配置される。図１（ｂ）に示すように、被測定体１６は可動電極１０の上方に位置する。

図１の各構成要素について説明する。本実施例では、可動電極１０の形状は四角形であり、可動基板と可動電極の両方の機能を備える。つまり全面が電極となっている。形態的には、銅、アルミニウム等の金属、或いは不純物をドープしたシリコン、ポリシリコンを材料とした弾性体薄膜である。可動電極１０の厚さ、材料特性（ヤング率、ポアソン比）、面積は、被測定体１６からの静電引力による可動電極１０の変位の大きさに関係する。したがって、これらは仕様に応じて適当に決めればよい。

固定電極１１も四角形であり、面積は可動電極１０より小さい。固定電極１１は基板１４の上面に形成された薄膜電極である。この面積は電位センサの初期容量（被測定体１６が零電位の場合に可動電極１０がとる位置での容量）に関係するので、これも仕様に応じて適当に決めればよい。

可動電極固定台１２、1３は、可動電極１０を固定電極１１と所定の間隔（ギャップ）に固定するためのものである。リンガラス、シリコン酸化膜、樹脂等の絶縁体が用いられる。可動電極固定台１２、1３の厚さは電位センサの初期容量に関係するので、これも仕様に応じて適当に決めればよい。こうして、可動電極１０の厚さ、面積、固定電極１１の面積、可動電極固定台１２、１３の厚さは、被測定体１６の電位、被測定体１６と電位センサとの距離等を基に最適設計される。基板１４はガラス等の絶縁体であり、上面に固定電極１１、検出回路１６を実装するための電極パッド及び配線用の電極が形成されている。

図２（a）は本実施例の電位センサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。構成要素は、発振回路２０と電流-電圧変換回路２１と同期検波回路２２である。図２中には、電位センサとの接続を示すため電位センサ２３を図示した。また、各回路の出力信号の波形の模式図を（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）として各回路の下に示した。電圧波形Ｗ１は発振回路２０の出力信号の波形であり、電圧波形Ｗ２は電流-電圧変換回路２１の出力信号の波形であり、電圧波形Ｗ３は同期検波回路２２の出力信号の波形である。

容量の検出回路には様々な方式があるが、図２（a）の回路はキャリア変調方式の容量検出回路である。発振回路２０は容量検出のための変調信号（キャリア）を発生する。ここでの変調信号とはゼロ電圧を中心とした正弦波、矩形波等の周期性を持った信号である。図２（ｂ）のＷ１は矩形波の例を示している。変調信号の周波数は電位センサ２３の応答特性の高周波側のカットオフ周波数に対して、十分に高い値に設定する（例えば、電位センサのカットオフ周波数が１０ｋＨｚの場合、１ＭＨｚ以上等）。発振回路２０は２つの変調信号の出力を持つ。２つの信号は全く同じ信号である。１つは電位センサ２３の可動電極１０に接続され、残りの１つは同期検波回路２１に入力される。電位センサ２３の固定電極１１は電流-電圧変換回路２１に接続される。発振回路２０からの変調信号により固定電極１１に誘起された交流電流は、電流-電圧変換回路２１により電圧信号（電圧波形Ｗ２）に変換される。この電圧信号（電圧波形Ｗ２）は同期検波回路２２に入力される。同期信号検波回路２２は、この電圧信号（電圧波形Ｗ２）を変調信号で同期検波し、電圧信号の振幅に対応した電圧信号（電圧波形Ｗ３）を出力する。この電圧信号（電圧波形Ｗ３）の振幅は、電位センサ２３の可変電極１０と固定電極１１で形成される容量に対応する。したがって、この電圧信号（電圧波形Ｗ３）により被測定体１６の電位を求めることができる。

本実施例は以下のような特徴を持っている。まず、可動電極１０を可動基板も兼ねる構造とし、さらに、単なる平坦な弾性体薄膜構造としたため、プロセス工程が少なくなっている。低コスト化の点で有利である。可動電極１０にポリシリコン、基板１４にシリコンと熱膨張係数の近いパイレックス（登録商標）ガラスを用いた場合は、可動電極１０と基板１４の熱膨張差による応力が少なくなり、容量形センサである故にもともと低い温度特性をさらに低くすることができる。

また、可動電極１０の対向する２辺のみを可動電極固定台１２、１３で固定するようにしたため、容量を形成する部分が非密閉の構造になっている。これにより、可動電極１０においては、容量形成部分の内部と電位センサ外部の圧力差は無く、可動電極１０の変位への圧力の寄与を無くすことができる。さらに、可動電極固定台１２、１３の無い辺（図１における右側）に検出回路１５を配置したため、固定電極１１と検出回路１５の接続用の電極パターン（図１には図示せず）と可動電極固定台１２、１３との干渉を無くすことができる。加えて、可動電極固定台１２、１３と基板１４の間に電極パターンが無いため、可動電極固定台１２、１３の上面の平坦性が電極パターンの厚さの影響を受けることはない（可動電極固定台１２、１３と基板１４の間に電極パターンがある場合、この電極パターンの存在により、この上に形成される可動電極固定台１２、１３の上面の平坦性が損なわれる恐れがある）。

また、基板１４をガラス等の絶縁体としているため、固定電極１１の浮遊容量を小さくすることができて、高精度化を達成できる。さらに、可動電極１０の直流電位をゼロ電位（ただし、容量検出のための変調信号は印加されている）としているため、被測定体１６の電位への影響が小さくなっている。

本実施例の一部を変更した次のような変形形態も実施可能である。
第１に、可動電極１０を可動基板と別体とすることも可能である。この場合は、可動基板には高抵抗のポリシリコン、ガラス、樹脂等が用いられる。また、固定電極１１に対して可動電極１０をより良好な平行状態に保って変位させることができる。さらに、この場合、その両面或いは一方の面に可動電極が形成される。可動電極を両面とした場合は、その両面を可動基板内に形成されたビア等で導通させる必要がある。この両面に形成した場合は、絶縁体の露出部分が少なくなるため帯電の影響を低減することができる。

可動電極１０の上面図での形状は四角形（長方形を含む）の他、円形その他の形状も可能である。それに伴い、固定電極１１も他の形状にしたり、或いは可動電極固定台１２、１３の形状も可動電極１０或いは可動基板を固定できる形状にしたりすることができる。また、可動電極固定台１２、１３の配置される基板１４の上面が絶縁性（基板自体がガラス等の絶縁体、或いはシリコン基板上に酸化膜を形成してある場合）の場合、或いは可動基板に絶縁体を用いた場合は、可動基板と可動基板固定台を一体化してもよい。

可動電極１０の断面形状はメサ型（後述の第２の実施例で説明）等の形状をとることも可能である。基板１４を検出回路が形成された半導体基板とし、固定電極を酸化膜上に形成することも可能である。この構成では回路チップの実装が必要でなくなり、実装コストの点で有利である。また、固定電極−検出回路間の寄生容量成分も極めて小さくできる。これにより、さらなる高精度化が可能である。

検出回路方式、構成も容量検出の他の方式を用いることが可能である。容量検出の他の方式としては、容量を電圧に変換するその他の方式であるブリッジ型或いはスイッチトキャパシタ方式（これらの方式ではセンサ容量と基準容量の差に対応した出力が得られる）、容量をパルス幅に変換する方式、一般に発振回路として構成されセンサ容量の充放電を繰り返す方式である容量を周波数に変換する方式等がある（これらについては、「集積化容量形圧力センサ」電学論C，109巻12号，pp.820−823，平成元年、「容量形センサ用C-FコンバータCMOSICの試作」電子情報通信学会論文誌 C−II，Vol.J73−C-II，No.3，pp.194−202，1990年３月を参照）。また、検出回路と電位センサの可動電極及び固定電極の接続も容量検出方式に合わせた接続形態をとることが可能である。

（実施例２）
本実施例は可動電極の形状に特徴を有する電位センサに関するものである。図４（ａ）は第２の実施例の電位センサの構成を示す上面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のB-B’線に沿った側断面図である。側断面の方向を可動電極の断面形状に特徴のある方向に合わせるため、上面図（ａ）及び側断面図（ｂ）は図１とは９０度時計周りに回転させた形になっている。

図１の実施例１との違いは、可動電極４０の断面形状である。図示のようにB-B’線の断面で、固定電極１１に対向する可動電極４０の部分の幅が厚いメサ型になっている。他に関しては図１と同じである。

可動電極４０をメサ型にすることで、可動電極４０を、撓まないメサ部分と撓む弾性体薄膜部（メサ部と可動電極固定台１２、１３の間の部分）に別け、各々最適設計することができる。メサ部は固定電極１１と平行を保ちながら変位するため、容量変化分が大きくなり、また、被測定体１６の電位、変位、容量変化の関係が単純になる。また、弾性体薄膜部を薄くすることにより、電位を持つ被測定体１６からの静電引力による可動電極４０の変位が大きくなる。したがって、本実施例の構成を用いることにより、電位センサを高感度化することができると共に検出回路の構成を比較的簡単にできる。

（実施例３）
本実施例は容量形成部（可動電極と固定電極の間の部分）を非密閉化した電位センサに関するものである。図４（ａ）は本実施例の構成を示す上面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）のC-C’線に沿った側断面図である。図１の実施例１との違いは、基板が孔空き基板５０となっていること、可動電極固定台５１が可動電極１０の外周を囲んでいることにある。孔空き基板５０の孔は図４（a）に示すように固定電極１１と可動電極固定台５１の間にある。これにより、可動電極固定台５１により容量形成部が密閉されている場合でも基板裏面から外気とのコンタクトをとることができ、容量形成部内外の圧力差の影響を無くすことができる。尚、孔の位置、大きさ、数は、図４に示す例に限定されるものではない。

本実施例では、トナー等の顆粒子で汚染されている部分に対して密閉されているため、センサ内部に顆粒子が入り込むことが無くなり、これによる悪影響を回避することができる。

（実施例４）
第４の実施例として、本発明の電位センサを用いた画像形成装置について説明する。図５は本発明の電位センサを用いた画像形成装置の感光ドラム周辺の概念図である。感光ドラム３０、帯電器３１、露光器３２、本発明の電位センサ３３、現像器３４、ドラム・クリーナ３５、紙３６を図示している。

感光ドラム３０は抵抗値が露光により低下する性質を持つ。図示する矢印の方向に回転し、帯電、露光、現像、転写のプロセスを受ける。帯電器３１は帯電ローラ等であり、感光ドラム３０を一様な電荷で帯電する。露光器３２は感光ドラム３０にレーザ光等の光を照射する。感光ドラム３０で光が照射された部分は電荷が消滅し、これにより感光ドラム３０には画像の形の電位差、すなわち静電潜像が形成される。現像器３４は静電潜像の帯電した部分にトナー（現像剤）を付着させ、感光ドラム３０上にトナーによる可視像を形成する。この現像剤の可視像は紙３６等の転写媒体に転写される。ドラム・クリーナ３５は転写後に感光ドラム３０上に残ったトナーを除去する。

電位センサ３３は、帯電で発生された電荷による電位、及び露光後に残っている電荷による電位の測定に用いられる。図示していない制御系は電位センサ３３の出力信号をもとに、帯電器３１、露光器３２等を制御し、可視像を最適化する。

本実施形態の画像形成装置では、小型、低コスト、高精度の本発明の電位センサを組み込んだことにより、感光ドラムの帯電を高精度に制御することができ、画像形成装置自体も小型化、低コスト化、高画質化が可能である。

本発明の第１の実施例の電位センサの構成を示す上面図及び側断面図である。 本発明の第１の実施例の電位センサに用いる検出回路の一例を示す回路図である。 本発明の第２の実施例の電位センサの構成を示す上面図及び側断面図である。 本発明の第３の実施例の電位センサの構成を示す上面図及び側断面図である。 本発明の第４の実施例の画像形成装置の感光ドラム周辺の概念図である。 背景技術となる電位センサの構成図である。

符号の説明

１０ … 可動電極
１１ … 固定電極
１２ … 可動電極固定台
１３ … 可動電極固定台
１４ … 基板
１５ … 検出回路
１６ … 被測定体
２０ … 発振回路
２１ … 電流-電圧変換回路
２２ … 同期検波回路
２３ … 電位センサ
３０ … 感光ドラム
３１ … 帯電器
３２ … 露光器
３３ … 電位センサ
３４ … 現像器
３５ … ドラム・クリーナ
３６ … 紙
４０ … メサ型可動電極
６０ … 支持部
６１ … 可動電極部
６２ … 梁部
６３ … 歪みゲージ

Claims (6)

1. 被測定体の電位による静電引力に応じて変位可能な弾性体薄膜形状の可動電極或いは弾性体薄膜上に形成された可動電極と、
   前記可動電極に対向する固定電極と、
   前記可動電極と前記固定電極で形成される容量を検出する回路素子と、を備え、
   検出結果に基づいて被測定体の電位を検出することを特徴とする電位センサ。
2. 前記可動電極は、その周りの一部で基板に対して支持、固定されている請求項１記載の電位センサ。
3. 前記可動電極は、その周りの全部で基板に対して支持、固定されていて、基板には、可動電極と基板の間の空間を外気に通じさせるための孔が形成されている請求項１記載の電位センサ。
4. 前記可動電極、前記固定電極及び前記回路素子を基板上に集積して形成或いは実装している請求項１乃至３のいずれかに記載の電位センサ。
5. 被測定体の電位による静電引力に応じて変位可能な様に弾性体薄膜形状の可動電極或いは弾性体薄膜上に形成された可動電極を被測定体に対して配置し、前記可動電極に対向して固定電極を固定して配置し、被測定体の電位に依存する前記可動電極と前記固定電極で形成される容量の検出結果に基づいて被測定体の電位を検出することを特徴とする電位測定方法。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電位センサと、前記電位センサの検出結果を用いて画像形成の制御を行う画像形成手段を備えたことを特徴とする画像形成装置。

Images