JP2006214764A - 電位測定装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象表面と検知電極との間の静電容量の変化幅を増大させて、従来よりも高感度ないし高精度な非接触式電位測定装置を得ることである。
【解決手段】電位測定装置は、測定対象に対向して配置される検知電極３を有する基板５と、測定対象に対して検知電極３の少なくとも一部が露出される第１の位置及び測定対象に対して検知電極３の少なくとも一部がカバーされる第２の位置を取り得る様に検知電極３の上方に可動に配置された導電性の可動シャッタ２と、検知電極３の周囲の少なくとも一部において固定して配置された導電性の固定シャッタ１６を有する。固定シャッタ１６は、可動シャッタ２のレベルと検知電極３のレベルの間で測定対象に対向する面を有して形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触型の電位測定装置、該電位測定装置を有する画像形成装置等に関するものである。

従来、例えば、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、常に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表面の電位分布が適当に（典型的には均一に）なる様に感光ドラム表面を帯電しておく必要がある。このため、感光ドラム表面の電位を電位測定装置を用いて測定し、その結果を利用して、感光ドラム表面の電位を均一に保つ様にフィードバック制御を行っている。

この様な目的で用いられている電位測定装置は、装置自身が測定対象（被測定物体）の表面電位分布に影響を与えない様にする必要がある。そのため、測定対象表面に接触することなく測定対象の電位を測定できる非接触式電位測定装置が従来からしばしば用いられている。この様な非接触式電位測定装置における測定方式の一つとして、機械式交流電界誘導方式と呼ばれる方式が従来から用いられている。

機械式交流電界誘導方式による電位測定の原理を以下に説明する。測定対象が張る電界によって、検知電極には測定対象の表面電位Ｖに比例した電気量Ｑの電荷が誘起される。ＱとＶの関係は
Ｑ＝ＣＶ ・・・（１）
という式で表される。ここで、Ｃは検知電極と測定対象表面との間の静電容量である。式（１）より、検知電極に誘起される電気量Ｑを測定することで測定対象の表面電位を得ることが可能となる。

しかしながら、検知電極に誘起される電気量Ｑを高速かつ正確に直接測定することは困難である。そこで、実用的な方法としては、検知電極と測定対象表面との間の静電容量Ｃを周期的に変化させ、検知電極で発生する交流電流信号を測定することにより測定対象の表面電位を得る方法が従来からしばしば用いられている。これが機械式交流電界誘導方式と呼ばれる測定方法である。

上記の方法によって測定対象の表面電位を得られることを以下に示す。検知電極と測定対象表面との間の静電容量を時刻tの関数としてＣ（ｔ）と表すと、検知電極に誘起される式（１）より
Ｑ（ｔ）＝Ｖ・Ｃ（ｔ） ・・・（２）
という式で表される。ここで、測定対象の表面電位Ｖの変化速度が静電容量Ｃの変化速度に対して十分遅いとみなして、Ｖは微小時間ｄｔにおいて一定であると近似すると、検知電極で発生する交流電流信号i（ｔ）は、検知電極に誘起される電気量Ｑ（ｔ）の時間微分値であるので、式（２）の両辺を時刻ｔで微分することで、検知電極で発生する交流電流信号i（ｔ）は
i（ｔ）＝ｄＱ（ｔ）/ｄｔ＝Ｖ・ｄＣ（ｔ）/ｄｔ ・・・（３）
という式で表される。式（３）より、検知電極で発生する交流電流信号i（ｔ）の振幅は測定対象の表面電位Ｖに比例するので、交流電流信号ｉ（ｔ）の振幅を測定することで測定対象の表面電位Ｖを得られる。

検知電極と測定対象表面との間の静電容量を周期的に変化させる方法の一つとして、図１０の様に検知電極３と測定対象１の表面との間に可動シャッタ２を配置し、可動シャッタ２を検知電極３に平行な面内で周期運動させて検知電極３と測定対象１の表面との間の静電容量を周期的に変化させる方法が挙げられる。ここでは、この方式を便宜的に「可動シャッタ方式」と呼ぶ。

上記の方法で検知電極と測定対象表面との間の静電容量を周期的に変化させる原理を以下に示す。測定対象１の張る電界が検知電極３に垂直に貫く方向に一様であると近似すると、周期運動する可動シャッタ２によって、検知電極３が測定対象１の張る電界に曝露される面積Ｓ（ｔ）は時刻ｔについての周期関数となる。また、検知電極３と測定対象１の表面との間の静電容量Ｃ（ｔ）は
Ｃ（ｔ）＝Ａ・Ｓ（ｔ）/ｇ ・・・（４）
の式で表される。ここで、Ａは物質の誘電率などに起因する比例定数、ｇは検知電極３と測定対象１の表面との間の距離であり、時刻ｔに対して変化しないとする。すると、式（４）より、検知電極３と測定対象１の表面との間の静電容量Ｃ（ｔ）が周期関数となることは明らかである。

上記の方法において、検知電極３で発生する交流電流信号は以下の様になる。式（４）を式（３）に代入すると、式（４）の右辺で時刻ｔの関数となるのは、検知電極３が測定対象１の張る電界に曝露される面積Ｓ（ｔ）のみであるので、検知電極３で発生する交流電流信号i（ｔ）は
i（ｔ）＝Ｖ・Ａ/ｇ・ｄＳ（ｔ）/ｄｔ ・・・（５）
の式で表される。交流電流信号ｉ（ｔ）は、信号処理手段４によってインピーダンス変換及び検波、増幅、整流され、測定信号として出力される。

具体的な第１の背景技術として単数電極タイプのものを説明する。従来の可動シャッタ方式による非接触式電位測定装置の一例として、Hsuらの発明による電位測定装置を以下に示す（非特許文献１参照）。

非特許文献１の非接触式電位測定装置の構造を図１１（ａ）に示す。基板５は、半導体板６の測定対象に対向する面に絶縁体薄膜７を形成したものである。検知電極３及び接地電極８は、基板５の上面（本明細書において、測定対象に対向する方向を「上方」と定義し、その反対方向を「下方」と定義する）に配置された導電性薄膜である。可動シャッタ２は、検知電極３の上方に配置された導電性材料からなる板状の構造体であり、駆動手段９及び支持梁１０に固定されている。駆動手段９は、基板５上に配置された静電気力によって駆動される櫛歯型の駆動装置である。支持梁１０は、導電性材料からなるビーム状の構造体であり、その片端が接地電極８の上面に、もう一方の端が可動シャッタ２に固定されており、可動シャッタ２を検知電極３の上方に位置する様に支持すると同時に可動シャッタ２と接地電極８との間を電気的に接続する。フード１１は、基板５上の検知電極３を挟んで駆動手段９と反対側に配置された導電性材料からなる構造体であり、その上面は可動シャッタ２の上面と同じ高さになる様に形成されている。信号処理手段４は、検知電極３で発生した交流電流信号にインピーダンス変換、検波、増幅、整流処理を施し、測定信号に変換する電子回路である。検知電極３と信号処理手段４は信号線１２によって接続されている。接地電極８、可動シャッタ２、及びフード１１の電位は装置全体の基準電位に固定されている。

この非接触式電位測定装置の動作原理は以下の通りである。駆動手段９によって可動シャッタ２は、測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置（図１１（ｂ））と曝露する位置（図１１（ｃ））との間を周期的に往復する。可動シャッタ２の周期運動により検知電極３と測定対象表面との間の静電容量が周期的に変化するので、検知電極３に、測定対象の表面電位に比例した振幅を有する交流電流信号が発生する。この交流電流信号は信号線１２を介して信号処理手段４に入力され、信号処理手段４によって測定信号に変換される。

次に、具体的な第２の背景技術として複数電極タイプのものを説明する。従来の可動シャッタ方式による非接触式電位測定装置の他の例として、Kubbyらの発明による電位測定装置を示す（特許文献１参照）。

特許文献１の発明による非接触式電位測定装置の構造を図１２（ａ）に示す。検知電極１５は、基板５上に等間隔に一列に配置された複数の電極である。可動シャッタ１３は、検知電極１５の上方に等間隔に一列に配置された複数の板状構造体であり、各々の両端は枠１４に固定されている。枠１４は、駆動手段９及び支持梁１０に固定されており、駆動手段９によって枠１４と可動シャッタ１３の各々が一様に運動する。駆動手段９は、基板５上に配置された静電気力によって駆動される櫛歯型の駆動装置である。支持梁１０は、ビーム状の構造体であり、その片端が基板５の上面に、もう一方の端が枠１４に固定されており、枠１４と可動シャッタ１３を検知電極１５の上方に位置する様に支持する。信号処理手段４は、検知電極１５の各々で発生した交流電流信号にインピーダンス変換、検波、増幅、整流処理を施し、測定信号に変換する電子回路である。検知電極１５の各々と信号処理手段４は信号線１２によって接続されている。

この非接触式電位測定装置の動作原理を以下に説明する。駆動手段９によって可動シャッタ１３の各々と枠１４は、測定対象の張る電界に対して検知電極１５の各々を同時に遮蔽する位置（図１２（ｂ））と検知電極１５の各々を同時に曝露する位置（図１２（ｃ））との間を周期的に一様に運動する。可動シャッタ１３の各々と枠１４の周期運動により、検知電極１５の各々と測定対象表面との間の静電容量が周期的に一様に変化するので、検知電極１５の各々において測定対象の表面電位に比例した振幅を有する交流電流信号が発生する。この交流電流信号は、信号線１２を介して、検知電極１５で発生した全ての交流電流信号の和として信号処理手段４に入力され、信号処理手段４によって測定信号に変換される。
Hsu, C.H. and Muller, R.S., "Micromechanicalelectrostatic voltmeter," 1991 International Conference on Solid-StateSensors and Actuators, TRANSDUCERS ‘91 Digest of Technical Papers, pp.659-662, 1991 米国特許 第６，１７７，８００号公報

従来の非接触式電位測定装置において、測定結果の精度を高めるためには、検知電極から得られる電流信号を増大させる必要がある。検知電極から得られる電流信号を増大させるためには、式（３）より測定対象表面と検知電極との間の静電容量の単位時間あたりの変化量を増大させればよい。それには、測定対象表面と検知電極との間の静電容量の変調速度を増大させるか、静電容量の変化幅を増大させればよい。

しかし、測定対象表面と検知電極との間の静電容量の変調速度を増大させるためには駆動手段の共振周波数を増大させる必要があるが、駆動手段の変位量や駆動電圧、消費電力を保ちつつ共振周波数を増大させることは容易ではない。また、変調速度の増大に伴い電流信号の周波数が増大するので、寄生容量を介してリークする信号成分が増大し、結果的に得られる電流信号が減少する懸念がある。以上のことから、測定対象表面と検知電極との間の静電容量の変調速度を増大させる手段は容易とは言い難い。

また、測定対象表面と検知電極との間の静電容量の変化幅を増大させることも、単純に測定対象表面と検知電極との間の静電容量の最大値を増大させようとすると、式（４）から検知電極の総面積を増大させる以外に方法はなく、駆動手段の大型化、電位測定装置全体の大型化などの恐れを伴うので容易とは言い難い。

上記課題に鑑み、本発明による非接触式電位測定装置は、測定対象に対向して配置される検知電極を有する基板と、測定対象に対して検知電極の少なくとも一部が露出される第１の位置及び測定対象に対して検知電極の少なくとも一部がカバーされる第２の位置を取り得る様に検知電極の上方に可動に配置された導電性の可動シャッタ（例えば、検知電極の上方に配置され基板に平行な面内を周期運動する様に設けられた可動シャッタ）と、検知電極の周囲の少なくとも一部において固定して配置された導電性の固定シャッタを有し、固定シャッタは、可動シャッタのレベルと検知電極のレベルの間で測定対象に対向する面を有して形成されていることを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明による画像形成装置は、上記の非接触式電位測定装置と、非接触式電位測定装置より得られる出力信号を処理する信号処理装置と、画像形成手段を備え、非接触式電位測定装置の検知電極の形成された面が画像形成手段の電位測定の対象となる面と対向して配置され、画像形成手段が信号処理装置の信号検出結果を用いて画像形成の制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、視点を変えて、測定対象表面と検知電極との間の静電容量の最小値を減少させることによって静電容量の変化幅を増大させられることに注目して、測定対象に対向する面が検知電極よりも上方に位置する固定シャッタの存在により、駆動手段の変位量や検知電極の総面積を保ちつつ（すなわち、増大させる手法をとる必要なく）測定対象表面と検知電極との間の静電容量の変化幅を増大させている。こうして、従来よりも高感度ないし高精度な非接触式電位測定装置を実現可能としている。

本発明による非接触式電位測定装置の一実施形態のうち、最低限必要な部分のみを抜き出した構造を図１（ａ）に示す。検知電極３は、基板５の上面に配置された導電性材料からなる板状の構造体である。可動シャッタ２は、検知電極３の上方に配置された導電性材料からなる板状の構造体であり、基板５に平行な面内を運動することが可能である。固定シャッタ１６は、可動シャッタ２と検知電極３の間に固定され検知電極３に隣接して（図１の例では検知電極３の両側に）配置された導電性材料からなる板状の構造体である。可動シャッタ２及び固定シャッタ１６は、装置全体の基準電位に固定されている。可動シャッタ２が、測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置（図１（ｂ））と曝露する位置（図１（ｃ））との間を周期的に往復すると、検知電極３と測定対象の表面との間の静電容量が周期的に変化し、検知電極３に、測定対象の表面電位に比例した振幅を有する交流電流信号が発生する。本発明による非接触式電位測定装置における電位測定の原理も、上記した機械式交流電界誘導方式による電位測定の原理と同じである。

ここで、可動シャッタ２が測定対象の張る電界から検知電極３を遮蔽する位置（図１（ｃ））にある瞬間における測定対象の張る電界の分布の様子を、固定シャッタ１６が存在しない従来の電位測定装置の場合と固定シャッタ１６が存在する本発明の電位測定装置の場合とで比較する。固定シャッタ１６が存在しない場合、図１（ｄ）の様に、測定対象の張る電界は可動シャッタ２の側方から回り込む様にして検知電極３の近傍に分布する。これに対して、図１（ｅ）の様に固定シャッタ１６が存在する場合、上記の場合において可動シャッタ２の側方から回り込む様に分布していた電界が固定シャッタ１６によって遮断されるので、検知電極３の近傍に分布する電界の強度は図１（ｄ）の場合よりも減少する。

その結果、検知電極３と測定対象表面との間の静電容量の最小値が減少する効果が生じ、測定対象表面と検知電極３との間の静電容量の変化幅が図１（ｄ）の場合に比べて増大する。よって、固定シャッタ１６の如きものを有する本発明の非接触式電位測定装置は、従来の可動シャッタ方式による非接触式電位測定装置よりも測定精度を高めることが可能となる。

以下、図を用いて本発明のより具体的な実施例を説明する。
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例を図２に沿って説明する。本実施例は、検知電極及び可動シャッタが１個ずつ存在する非接触式電位測定装置であって、固定シャッタが基板上に直接配置されている。

本実施例における非接触式電位測定装置の構造を図２（ａ）に示す。基板５は、半導体板６の上面に絶縁体薄膜７を形成したものである。検知電極３及び接地電極８は、基板５の上面に配置された導電性薄膜である。可動シャッタ２は、検知電極３の上方に配置された導電性材料からなる板状の構造体であり、駆動手段９と支持梁１０に固定されている。駆動手段９は、基板５上に配置された静電気力によって駆動される櫛歯型の駆動装置である。駆動手段９としては、静電気力以外による駆動装置、例えば電磁力（この場合、例えば電磁コイルと永久磁石との間で作用する電磁力が利用される）や圧電素子などによる駆動装置を用いることも可能である。支持梁１０は、導電性材料からなるビーム状の構造体であり、その片端が接地電極８の上面に、もう一方の端が可動シャッタ２に固定されており、可動シャッタ２を検知電極３の上方に位置する様に支持すると同時に可動シャッタ２と接地電極８との間を電気的に接続する。フード１１は、基板５上の検知電極３を挟んで駆動手段９と反対側に配置された導電性材料からなる構造体であり、その上面は可動シャッタ２の上面と同じ高さになる様に形成されている。

本実施例では、固定シャッタ１６は、駆動手段９が配置されている側の接地電極８の上面に形成された導電性材料からなる構造体であり、その上面が検知電極３の上面よりも上方に位置し且つ可動シャッタ２の下面よりも下方に位置する様な構造を有する。この様な固定シャッタ１６の構造は、例えば金属を基板５の一部に鍍金して形成することが可能である。

図２では、固定シャッタ１６は、基板５の面と略平行な上面と基板５の面と略垂直な側面を有して形成されているが、可動シャッタ２のレベルと検知電極３のレベルの間で測定対象に対向する面を有するならば、この形状に限らない。例えば、検知電極３側が上昇して（或いはその逆）傾斜した上面を持つ形状でも良い。また、検知電極３側の側面も、基板５の面に対して垂直ではなく、傾斜した面となっていてもよい。更には、検知電極３側に多少乗り出して、オーバーハングする形状でもよい。更には、固定シャッタ１６は検知電極３の周囲の少なくとも一部に形成されていればよいので、検知電極３の両側やその周囲にぐるりと形成されてもよい。

信号処理手段４は、検知電極３で発生した交流電流信号にインピーダンス変換、検波、増幅、整流処理を施し、測定信号に変換する電子回路であり、既に上で述べたものと同じである。検知電極３と信号処理手段４は信号線１２によって接続されている。ここにおいて、望ましくない寄生容量の発生を防いでより正確な電位測定を達成するために、接地電極８及び可動シャッタ２、フード１１、支持梁１０、固定シャッタ１６の電位は装置全体の基準電位に固定されている。

本実施例における非接触式電位測定装置の動作原理を以下に示す。駆動手段９によって可動シャッタ２は、測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置（図２（ｂ））と曝露する位置（図２（ｃ））との間を周期的に往復する。可動シャッタ２の周期運動により検知電極３と被測定対象物体表面との間の静電容量が周期的に変化するので、検知電極３に測定対象の表面電位に比例した振幅を有する交流電流信号が発生する。この交流電流信号は信号線１２を介して信号処理手段４に入力され、信号処理手段４によって測定信号に変換される。

本実施例の効果を示すために、検知電極と測定対象表面との間の静電容量の変化幅ΔCを、上記非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置とで比較する。静電容量の変化幅ΔCは、可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときの静電容量Ｃｍａｘと検知電極３を曝露する位置にあるときの静電容量Ｃｍｉｎとの差を求めることで算出される。Ｃｍａｘ及びＣｍｉｎを算出する方法として有限要素法による静電場解析を用いた。固定シャッタ１６の効果のみを評価するために、固定シャッタ１６の有無以外の構造が等しくなる様にモデルを作製した。

上記非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置の各々について、可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときにおける検知電極３近傍の電界強度の等高線図を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ｂ）中に矢印で示された等高線は図中の全等高線のうち最も弱い電界強度を表す等高線であり、その電界強度Ｅｍｉｎは両図で等しい。固定シャッタが存在しない図４（ａ）に比べて、固定シャッタ１６が存在する図４（ｂ）の方は、等高線が検知電極３から離れた位置に存在しており、このことから固定シャッタ１６によって検知電極３の近傍の電界強度が弱められていることが分かる。

各々の場合における検知電極と測定対象表面との間の単位面積あたりの静電容量を求めた結果を下記の表１に示す。表１より、第１の実施例の非接触式電位測定装置における静電容量の変化幅が、上記非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置に対して、７０％以上増大していることが分かる。以上より、本実施例により非接触式電位測定装置の測定精度を従来の１．７倍程度以上に向上させられることが示される。

（第２の実施例）
次に、図３に沿って、本発明の第２の実施例を説明する。本実施例は、検知電極及び可動シャッタが１個ずつ存在する非接触式電位測定装置であって、固定シャッタが基板上に形成された絶縁体の上面に配置されている非接触式電位測定装置に係る。

前記第１の実施例では、固定シャッタ１６の上面が検知電極３よりも上方に位置する様に固定シャッタ１６を厚く形成する必要がある。しかし、作製手段などの都合により、固定シャッタを厚く形成することが実施困難である場合には、第２の実施例の様に、固定シャッタ１６を配置する基板５上の位置に絶縁体厚膜１７を形成し、その上に固定シャッタ１６を導電性薄膜として形成してもよい。本実施例では、絶縁体厚膜１７により検知電極３と固定シャッタ１６との絶縁が保たれ、固定シャッタを形成するための厚い鍍金が不要となる。

本実施例の非接触式電位測定装置の構造を図３に示す。第１の実施例と異なる部分は、固定シャッタ１６と絶縁体部１７のみである。絶縁体部１７は基板５上に配置された絶縁体材料からなる構造体であり、その上面が検知電極３の上面よりも上方に位置する様に形成されている。この様な絶縁体部１７の構造は、例えば、感光レジスト厚膜をパターニングすることによって形成することが可能である。固定シャッタ１６は、絶縁体部１７の上面に配置された導電性薄膜であり、固定シャッタ１６の電位は、接地電極８及び可動シャッタ２、フード１１、支持梁１０と同様に装置全体の基準電位に固定されている。

固定シャッタ１６の導電性薄膜は、絶縁体部１７の側面の少なくとも一部にも形成されてもよい。また、絶縁体部１７の形状も、第１の実施例の固定シャッタの形状について述べた様に、種々の形態であり得る。本実施例における非接触式電位測定装置の動作原理は第１の実施例と同じである。

本実施例の効果を示すために、第１の実施例の説明における手法と同様にして、検知電極と測定対象表面との間の静電容量の変化幅ΔCを、上記非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置とで比較する。

非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置の各々について、可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときにおける検知電極３近傍の電界強度の等高線図を図４（ａ）及び（ｃ）に示す。図４（ａ）及び（ｃ）中に矢印で示された等高線は図中の全等高線のうち最も弱い電界強度を表す等高線であり、その電界強度Ｅｍｉｎは両図で等しい。第１の実施例と同様に、固定シャッタが存在しない図４（ａ）に比べて、固定シャッタが存在する図４（ｃ）の方は、検知電極３の近傍の電界強度が弱くなっていることが分かる。各々の場合における検知電極と測定対象表面との間の単位面積あたりの静電容量を求めた結果を下記の表１に示す。

表１より、本実施例における非接触式電位測定装置における静電容量の変化幅が、非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置に対して７０％以上増大していることが分かる。以上より、第２の実施例の様に絶縁体部１７を介して固定シャッタ１６を薄膜で形成することによっても、非接触式電位測定装置の測定精度を第１の実施例と同程度（従来の１．７倍程度以上）に向上させられることが示される。

単数の検知電極及び単数の可動シャッタを有する非接触式電位測定装置における検知電極と測定対象表面との間の単位面積あたりの静電容量の変化幅ΔＣの比較。

（第３の実施例）
次に、図５に沿って本発明の第３の実施例を説明する。第３の実施例は、検知電極及び可動シャッタが複数存在する非接触式電位測定装置であって、固定シャッタが基板上に直接配置されている電位測定装置に係る。

本実施例の非接触式電位測定装置の構造を図５（ａ）に示す。基板５は、半導体板６の上面に絶縁体薄膜７を形成したものである。検知電極１５は、基板５の上面に等間隔に一列に複数配置された導電性薄膜である。可動シャッタ１３は、検知電極１５の上方に等間隔に一列に複数配置された導電性材料からなる板状構造体であり、各々の両端は導電性材料からなる枠１４に固定されている。枠１４は、駆動手段９及び支持梁１０に固定されており、駆動手段９によって枠１４と可動シャッタ１３の各々が一様に（すなわち、協調ないし同調して）運動する。駆動手段９は、基板５上に配置された静電気力によって駆動される櫛歯型の駆動装置である。駆動手段９としては、静電気力以外による駆動装置、例えば電磁力や圧電素子などによる駆動装置を用いることも可能である。支持梁１０は、導電性材料からなるビーム状の構造体であり、その片端が基板５の上面に、もう一方の端が枠１４に固定されており、枠１４を検知電極１５の上方に位置する様に支持する。また、支持梁１０は可動シャッタ１３及び枠１４と電気的に接続されている。こうして、可動シャッタ１３、枠１４、支持梁１０、固定シャッタ１８の電位は装置全体の基準電位に固定されている。

固定シャッタ１８は、基板５上の検知電極１５の側方に複数配置された導電性材料からなる板状の構造体であり、その上面が検知電極１５の各々の上面よりも上方に位置し且つ可動シャッタ１３の各々の下面よりも下方に位置する様な構造を有する。この様な固定シャッタ１８の構造は、例えば金属を基板５の一部に鍍金して形成することが可能である。この固定シャッタ１８の形状も、第１の実施例の固定シャッタの形状について述べた様に、種々の形態であり得る。

信号処理手段４は、検知電極１５の各々で発生した交流電流信号にインピーダンス変換、検波、増幅、整流処理を施し、測定信号に変換する電子回路である。検知電極１５の各々と信号処理手段４は信号線１２によって接続されている。

本実施例による非接触式電位測定装置の動作原理を以下に説明する。駆動手段９によって可動シャッタ１３の各々と枠１４は、測定対象の張る電界に対して検知電極１５の各々を同時に遮蔽する位置（図５（ｂ））と検知電極１５の各々を同時に曝露する位置（図５（ｃ））との間を周期的に一様に運動する。可動シャッタ１３の各々と枠１４の周期運動により、検知電極１５の各々と測定対象表面との間の静電容量が周期的に一様に変化するので、検知電極１５の各々において測定対象の表面電位に比例した振幅を有する交流電流信号が発生する。この交流電流信号は、信号線１２を介して、検知電極１５で発生した全ての交流電流信号の和として信号処理手段４に入力され、信号処理手段４によって測定信号に変換される。この測定原理は上述した図１２のものと同じである。本実施例では、可動シャッタ１３を複数並べているので、十分な感度ないし精度を確保するのに可動シャッタの駆動距離が比較的小さくても済み、その点において小型化が可能である。

本実施例の効果を示すために、第１の実施例の説明における手法と同様にして、検知電極と測定対象表面との間の静電容量の変化幅ΔCを、上記特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置とで比較する。

特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置の各々について、可動シャッタ１３の各々と枠１４が測定対象の張る電界に対して検知電極１５を遮蔽する位置にあるときにおける検知電極１５近傍の電界強度の等高線図を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７（ａ）及び（ｂ）中に矢印で示された等高線は図中の全等高線のうち最も弱い電界強度を表す等高線であり、その電界強度Ｅｍｉｎは両図で等しい。固定シャッタが存在しない図７（ａ）に比べて、固定シャッタ１８が存在する図７（ｂ）の方は、等高線が検知電極１５から離れた位置に存在しており、このことから固定シャッタ１８によって検知電極１５の近傍の電界強度が弱められていることが分かる。

各々の場合における検知電極と測定対象表面との間の単位面積あたりの静電容量を求めた結果を下記の表２に示す。表２より、本実施例の非接触式電位測定装置における静電容量の変化幅ΔＣが、特許文献１に記載の非接触式電位測定装置に対して、約９０％増大していることが分かる。以上より、検知電極及び可動シャッタが複数存在する可動シャッタ方式による非接触式電位測定装置においても、本実施例の様に、固定シャッタ１８を配置することで測定精度を従来の１．９倍程度に向上させられることが示される。

（第４の実施例）
次に、図６に沿って本発明の第４の実施例を説明する。本実施例は、検知電極及び可動シャッタが複数存在する非接触式電位測定装置であって、固定シャッタが基板上に配置された絶縁体の上面に配置されている電位測定装置に係る。

前記の第３の実施例では、固定シャッタ１８の上面が検知電極１５よりも上方に位置する様に固定シャッタ１８を厚く形成する必要がある。しかし、作製手段などの都合により固定シャッタを厚く形成するのが実施困難である場合には、本実施例の様に、固定シャッタを配置する基板５上の位置に絶縁体厚膜を形成し、その上に固定シャッタ１８を導電性薄膜として形成してもよい。このことは、第１の実施例に対する第２の実施例の関係と同じである。

本実施例の非接触式電位測定装置の構造を図６に示す。第３の実施例と異なる部分は、固定シャッタ１８と絶縁体部１９のみである。絶縁体部１９は、基板５上に配置された絶縁体材料からなる複数の構造体であり、その上面が検知電極１５の上面よりも上方に位置する様に形成されている。この様な絶縁体部１９の構造は、例えば、感光レジスト厚膜をパターニングすることによって形成できる。固定シャッタ１８は絶縁体部１９の上面に配置された導電性薄膜であり、固定シャッタ１８の電位は、可動シャッタ１３、枠１４、支持梁１０と同様に装置全体の基準電位に固定されている。ここでも、固定シャッタ１８の導電性薄膜の形態や絶縁体部１９の形状は、第２の実施例で述べた様に、種々のものであり得る。また、本実施例における非接触式電位測定装置の動作原理は第３の実施例と同様である。

本実施例の効果を示すために、第３の実施例の説明における手法と同様にして、検知電極と測定対象表面との間の静電容量の変化幅ΔCを、上記特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置とで比較する。

特許文献１に記載の非接触式電位測定装置と本実施例の非接触式電位測定装置の各々について、可動シャッタ１３が測定対象の張る電界に対して検知電極１５を遮蔽する位置にあるときにおける検知電極１５近傍の電界強度の等高線図を図７（ａ）及び（ｃ）に示す。図７（ａ）及び（ｃ）中に矢印で示された等高線は図中の全等高線のうち最も弱い電界強度を表す等高線であり、その電界強度Ｅｍｉｎは両図で等しい。第３の実施例と同様に、固定シャッタが存在しない図７（ａ）に比べて、固定シャッタ１８が存在する図7（ｃ）の方は、検知電極１５の近傍の電界強度が弱くなっていることが分かる。

各々の場合における検知電極と測定対象表面との間の単位面積あたりの静電容量を求めた結果を下記の表２に示す。表２より、本実施例の非接触式電位測定装置における静電容量の変化幅ΔＣが、特許文献１に記載の非接触式電位測定装置に対して、９０％以上増大していることが分かる。以上より、本実施例の様に、絶縁体部１９を介して固定シャッタ１８を薄膜で形成することによっても、非接触式電位測定装置の測定精度を第３の実施例と同程度（従来の１．９倍程度）に向上させられることが示される。

複数の検知電極及び複数の可動シャッタを有する非接触式電位測定装置における検知電極と測定対象表面との間の単位面積あたりの静電容量の変化幅ΔＣの比較。

（第５の実施例）
本発明の第５の実施例として、表面の一部に凹部を有する基板の凹部の底に検知電極が配置されており、凹部の周囲に固定シャッタが配置されていることを特徴とする非接触式電位測定装置の例を以下に示す。

第２及び第４の実施例では、固定シャッタを薄膜で形成するために、固定シャッタを基板上に配置された絶縁体の上面に形成した例を示したが、本実施例では、逆に基板に凹部を形成し、凹部の底に検知電極を配置し、凹部の周囲の一部に固定シャッタを配置している。

本実施例の非接触式電位測定装置の構造を図８に示す。基板５は、半導体板６の上面の一部に凹部２０を形成し、半導体板６の上面と凹部２０の表面に絶縁体薄膜７を形成したものである。検知電極３は、凹部２０の底に配置された導電性薄膜である。固定シャッタ１６は、凹部２０の周囲の一部（図８の例では検知電極３の両側であるが、ぐるりと全部などでもよい）に配置された導電性薄膜である。可動シャッタ２は、検知電極３の上方に配置された導電性材料からなる板状の構造体である。駆動手段９は、基板５上に配置された静電気力によって駆動される櫛歯型の駆動装置である。駆動手段９としては、静電気力以外による駆動装置、例えば電磁力や圧電素子などによる駆動装置を用いることも可能である。支持梁１０は、導電性材料からなるビーム状の構造体であり、その片端が基板５上に、もう一方の端が可動シャッタ２に固定されており、可動シャッタ２を検知電極３の上方に位置する様に支持する。また、支持梁１０は可動シャッタ２と電気的に接続されている。こうして、可動シャッタ２、支持梁１０、固定シャッタ１６の電位は装置全体の基準電位に固定されている。信号処理手段４は、検知電極３で発生した交流電流信号にインピーダンス変換、検波、増幅、整流処理を施し、測定信号に変換する電子回路である。検知電極３と信号処理手段４は信号線１２によって接続されている。本実施例の非接触式電位測定装置の動作原理は第１の実施例と同じである。

凹部２０の形成手法の一例として、半導体板６として単結晶珪素を主材料とする半導体板を用いる場合、異方性エッチングによって壁面に傾斜をもたせる様に形成しておくと、通常のフォトリソグラフィーを用いて凹部２０の壁面上に信号線１２のパターンを容易に形成することが可能である。

固定シャッタ１６の導電性薄膜は、凹部の斜面上に延びて形成されていてもよい。また、凹部の形状も、垂直壁を有する様なものでもよく、この凹部の底に検知電極３を配置し、凹部の周囲の少なくとも一部に固定シャッタを配置してもよい。また、本実施例の構造は、第２の実施例や第３の実施例の構造と組み合わせて構成することもできる。

図８における検知電極３と固定シャッタ１６との位置関係は本発明の基本的な構造（図１（ａ）などに示す）と全く同一であるので、本実施例の様な構造によっても検知電極３と測定対象表面との間の静電容量の変化幅を増大させることが可能である。よって、本実施例の様な構造によっても、非接触式電位測定装置の測定精度を向上させることが可能である。

（第６の実施例）
図９は第６の実施例である画像形成装置を説明する図である。図９は、本発明による電位測定装置を用いた電子写真現像装置の感光ドラム周辺の模式図である。感光ドラム２１０８の周辺に、帯電器２１０２、本発明の非接触式電位測定装置（電位センサ）２１０１、露光機２１０５、トナー供給機２１０６が設置されている。帯電器２１０２で、ドラム２１０８の表面を帯電し、露光機２１０５を用いて感光ドラム２１０８表面を露光することで潜像が得られる。この潜像にトナー供給機２１０６によりトナーを付着させ、トナー像を得る。そして、このトナー像を転写物送りローラー２１０７と感光ドラム２１０８で挟まれた転写物２１０９に転写し、転写物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。

この構成において、ドラム２１０８の帯電状態を、上記実施例で説明した様な本発明の高性能の電位測定装置２１０１で測定し、信号処理装置２１０３で信号を処理し、高電圧発生器２１０４にフィードバックをかけて帯電器２１０２を制御することで、安定したドラム帯電が実現され、安定した画像形成が実現される。

本発明の一実施形態における非接触式電位測定装置の（ａ）主要な部分の構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）、（ｂ）可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図、（ｃ）可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を曝露する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図、（ｄ）固定シャッタ１６が存在しない場合の可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときの、検知電極３の近傍における電界分布の概略図、（ｅ）固定シャッタ１６が存在する場合の可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときの、検知電極３の近傍における電界分布の概略図である。 本発明の第１の実施例における非接触式電位測定装置の（ａ）構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）、（ｂ）可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図、（ｃ）可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を曝露する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図である。 本発明の第２の実施例における非接触式電位測定装置の構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）である。 可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を曝露する位置にあるときの、検知電極３の近傍における電界強度分布を静電場解析によって計算した結果を表す等高線図であって、（ａ）非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置についての図、（ｂ）第１の実施例の非接触式電位測定装置についての図、（ｃ）第２の実施例の非接触式電位測定装置についての図である。 本発明の第３の実施例における非接触式電位測定装置の（ａ）構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）、（ｂ）可動シャッタ１３の各々と枠１４とが測定対象の張る電界に対して検知電極１５を遮蔽する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図、（ｃ）可動シャッタ１３の各々と枠１４とが測定対象の張る電界に対して検知電極１５の各々を曝露する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図である。 本発明の第４の実施例における非接触式電位測定装置の構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）である。 可動シャッタ１３の各々と枠１４とが測定対象の張る電界に対して検知電極１５の各々を曝露する位置にあるときの、検知電極３の近傍における電界強度分布を静電場解析によって計算した結果を表す等高線図であって、（ａ）特許文献１に記載の非接触式電位測定装置についての図、（ｂ）第３の実施例の非接触式電位測定装置についての図、（ｃ）第４の実施例の非接触式電位測定装置についての図である。 本発明の第５の実施例における非接触式電位測定装置の構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）である。 本発明の第６の実施例である画像形成装置を説明する図である。 可動シャッタ方式による非接触式電位測定装置の測定原理を説明する図である。 非特許文献１に記載の非接触式電位測定装置の（ａ）構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）、（ｂ）可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を遮蔽する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図、（ｃ）可動シャッタ２が測定対象の張る電界に対して検知電極３を曝露する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図である。 特許文献１に記載の非接触式電位測定装置の（ａ）構造図（上面図と、上面図の一点鎖線における断面図）、（ｂ）可動シャッタ１３の各々と枠１４とが測定対象の張る電界に対して検知電極１５の各々を遮蔽する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図、（ｃ）可動シャッタ１３の各々と枠１４とが測定対象の張る電界に対して検知電極１５の各々を曝露する位置にあるときの、上面図の一点鎖線における断面図である。

符号の説明

１・・・測定対象（被測定物体）
２、１３・・・可動シャッタ
３、１５・・・検知電極
４・・・信号処理手段
５・・・基板
９・・・駆動手段
１６、１８・・・固定シャッタ
１７、１９・・・絶縁体部
２０・・・基板５の凹部

Claims (7)

1. 測定対象に対向して配置される検知電極を有する基板と、測定対象に対して検知電極の少なくとも一部が露出される第１の位置及び測定対象に対して検知電極の少なくとも一部がカバーされる第２の位置を取り得る様に検知電極の上方に可動に配置された導電性の可動シャッタと、検知電極の周囲の少なくとも一部において固定して配置された導電性の固定シャッタを有し、固定シャッタは、可動シャッタのレベルと検知電極のレベルの間で測定対象に対向する面を有して形成されていることを特徴とする非接触式電位測定装置。
2. 請求項１に記載の非接触式電位測定装置において、前記可動シャッタは、検知電極の上方に配置され基板に平行な面内を周期運動する様に設けられている非接触式電位測定装置。
3. 請求項１または２に記載の非接触式電位測定装置において、前記固定シャッタが前記基板上に接する様に配置されている非接触式電位測定装置。
4. 請求項１または２に記載の非接触式電位測定装置において、前記固定シャッタが前記基板との間に絶縁体を介して配置されている非接触式電位測定装置。
5. 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の非接触式電位測定装置において、前記基板に凹部を形成し、凹部の底に前記検知電極を配置し、凹部の周囲の少なくとも一部に前記固定シャッタを配置されている非接触式電位測定装置。
6. 請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の非接触式電位測定装置において、１つの基板上に、検知電極と可動シャッタと固定シャッタの組が複数組設けられ、可動シャッタの各々が協調的に運動する非接触式電位測定装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の非接触式電位測定装置と、非接触式電位測定装置より得られる出力信号を処理する信号処理装置と、画像形成手段を備え、非接触式電位測定装置の検知電極の形成された面が画像形成手段の電位測定の対象となる面と対向して配置され、画像形成手段が信号処理装置の信号検出結果を用いて画像形成の制御を行うことを特徴とする画像形成装置。