JP2007108173A - 帯電可能表面上の欠陥点を検出するためのコンタクトレスシステム - Google Patents

Abstract

【課題】帯電可能表面の走査動作と併せて、帯電可能表面上のＣＤＳの点状性質により引き起こされる非一様な電荷の分布を修正する。
【解決手段】帯電可能表面を帯電するための第１の回路と、スキャナプローブと、第２の回路と、を含み、前記帯電可能表面と、誘電物質により平行板コンデンサが確立され、前記スキャナプローブが、前記印加された電荷により誘起された電荷に関連する電位、及び前記帯電可能表面上のＣＤＳのいずれかに関連する電位を読み取り、
第３の回路と、プロセッサと、前記帯電可能表面上のＣＤＳの電位を求めるための電荷判断モジュールとを含むことを特徴とする、帯電可能表面上の電荷欠損スポット（ＣＤＳ）を検出するためのコンタクトレスシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、帯電可能表面上の欠陥点を検出するためのコンタクトレスシステムに関する。

ゼログラフ板又は感光体においては、多数の種類の微欠陥がゼログラフ画像劣化の源になることがある。これらの微欠陥は、粒子による閉塞、コーティング層における気泡、電荷発生層のない感光体における微視的な領域、コーティング厚さの非一様性、暗失活の非一様性、光感度の非一様性、及び電荷欠損スポット（ＣＤＳ）となることがある。これらの最後の種類の欠陥、すなわち電荷欠損スポット（ＣＤＳ）は、光による活性なしで放電される局所領域である。これらは、使用される現像方法により、２種類の画像欠陥を引き起すことがある。電荷欠損スポットは、通常、電気的に又はゼログラフ現像により検出することができる。これらは、典型的には、微視的又は化学的検出を逃れる。

特定の生産工程から感光体における電荷欠損スポットを検出するための１つの技術は、感光体が製造された特定の種類のコピー機、複写機、及び印刷機においてその感光体を循環させることである。一般に、実際の機械試験は、所定のバッチから感光体における電荷欠損スポットを検出するのに最も正確な方法を与えることが見出された。

しかし、電荷欠損スポットを検出するための機械試験は、試験員の手による用紙の給送と併せて、用紙毎の最終品質の常時監視を含む面倒で時間のかかる方法である。さらに、試験結果の精度は、用紙を給送し、評価する作業員の解釈及び行動に大いに依存する。

さらに、機械の特性は、所定のモデル又は種類のいずれにおいても機械毎に異なるため、どのような所定の機械モデルに対する最終試験結果の信頼性も、特定の機械に特有の癖と、同じモデル又は種類の他の機械の特性とを考慮に入れなければならない。機械の複雑さ及び機械毎の変動のために、単一の機械における試験からのデータは、感光体材料の生産バッチ全体の廃止を正当化するのに十分に確かなものではない。したがって、試験は、通常、３つ又はそれ以上の機械において行われる。しかし、１つの機械における感光体試験は、同じ種類の感光体が異なる種類の機械において用いられている場合には、電荷欠損スポットの出現が生じるかどうかを必ずしも予測するものではない。

したがって、機械の電荷欠損スポット試験においては、試験は、各々の異なる種類の機械において行われなければならない。このことは、極めて高価で、時間がかかる。さらに、機械試験に必要とされる時間の長さのために、機械の寿命試験に基づく承認を待機している貯蔵された感光体の在庫は、容認できないほど高いレベルまで到達することになる。例えば、バッチは、各々が数千ものベルトを生成する多数のロールで構成されていることがある。

したがって、帯電可能表面の走査動作と併せて、帯電可能表面上のＣＤＳの点状性質により引き起こされる非一様な電荷の分布を修正するためのシステム及び方法に対する必要性がある。

本開示の１つの態様によれば、帯電可能表面上の電荷欠損スポット（ＣＤＳ）を検出するためのコンタクトレスシステムが提供される。

帯電可能表面の電荷欠損スポット（ＣＤＳ）を走査するために、走査システムが与えられる。帯電可能表面は第１の電位に帯電され、スキャナプローブは第１の電位の所定の電位内の第２の電位に帯電される。さらに、基準波がスキャナプローブ及び帯電可能表面の少なくとも一方に印加される。スキャナプローブは、印加された電荷により誘起された電荷に関連する電位、及び帯電可能表面上のＣＤＳのいずれかに関連する電位を読み取る又は測定する。プロセッサは、帯電可能表面上のＣＤＳの電荷を求めるために、スキャナプローブの読み取り値及び印加された電荷の少なくとも１つに基づいて、プローブの測定値（読み取り値とも呼ばれる）を処理し、このことは、ＣＤＳの点状性質を考慮するために、プローブの表面から帯電可能表面までの距離に基づいて、ＣＤＳの電位の判断を調整することを含む。

以下の説明は、例示的な目的のために、ゼログラフィにおいて用いられる感光体の像形成表面の走査に集中するが、本開示の範囲は、その走査に限定されるものではなく、他の適用例に用いられる他の帯電可能表面の走査に適用することができる。

図１を参照すると、ステッパモータ１１により一定の速度で回転される導電性の隔離されたドラム１４を含む例示的なスキャナシステム１０が示されている。ゼログラフ像形成システムと同様に、可撓性感光体１２（感光体ベルトとして形成することができる）として具現化された帯電可能表面がドラム１４上に取り付けられ、感光体１２を一定の電圧まで静電気的に帯電するスコロトロンといった帯電装置１６により帯電される。感光体１２には、電荷が印加される接地平面として機能する導電性底部板が与えられる。或いは、ドラム１４は、感光体１２として機能する少なくとも１つの電子写真式コーティングにより被覆された感光体ドラム基板とすることができる。

システム１０は、さらに、静電電圧計プローブ１５と、バイアス電圧増幅器２０と、高解像度スキャナプローブ１８と、距離制御システム２９と、（任意的に接続することができる）電荷積分器２１と、データ収集コンピュータ２２と、ステッピングアクチュエータの組み合わせ２８と、エンコーダ３０と、少なくとも１つの波形発生器３１とを含む。静電プローブ１５及びバイアス電圧増幅器２０は、スキャナプローブ１８を、感光体１２の平均表面電位から、閾値電位差内までバイアスするために与えられる。本開示の一実施形態においては、静電プローブ１５は、電荷欠損スポットほど小さい欠陥を感知しない空間解像度が低い静電電圧計である。

走査中、スキャナプローブ１８、電荷積分器２１、及びデータ収集コンピュータ２２は、帯電後の感光体１２の電位における変化を測定する。測定値は、エンコーダ３０から、一定の角位置においてパルスを適用することにより取得される。エンコーダは、個々の走査線のデータ収集のトリガとして作用するトランジスタ・トランジスタ論理といった旋回パルスを１度に１つ供給することにより、スキャナプローブ１８によるプローブ読み取り値の空間的整合を確実にし、感光体表面の正確なマップを形成する。

データ収集は、以下にさらに述べられるように、システムクロック上で動作するＡ／Ｄ変換プロセスに対応する。距離制御システム２９は、スキャナプローブ１８と、例えば、感光体１２の表面のような走査されている表面との間の距離又は間隙（開示全体を通して間隙距離とも呼ばれる）を制御する。少なくとも１つの波形発生器３１は、基準波を感光体１２の接地平面及びスキャナプローブ１８の少なくとも一方に適用する。基準波を感光体１２に適用する場合には、波形発生器３１は、好適なコネクタ（図示されていない、電導性ブラシのような）を用いてドラム１４に接続される。基準波をスキャナプローブ１８に適用する場合には、高圧ＤＣバイアスが遮蔽電極３６にも与えられるという条件で、方形波発生器３１がスキャナプローブ１８の遮蔽電極３４（図２に示す）に接続される。

スキャナプローブ１８の下方端部２４は、感光体１２の外側像形成表面に対して平行であり、この上方（典型的には、感光体１２の外側像形成表面の約１００μｍだけ上方）に配置された滑らかな表面を有する。帯電装置１６により、まさに帯電された感光体１２の一部がスキャナプローブ１８に到達するのにかかる時間は、ＣＤＳがスキャナプローブ１８により走査される前にＣＤＳが形成されることを可能にする。感光体１２上の電荷は、感光体１２がスキャナプローブ１８を通った後で、消去光といった放電装置２６により除去される。

電荷積分器２１は、光結合された増幅器を有するオプトアイソレーター回路（図示せず）といった回路を含み、データ収集コンピュータ２２をスキャナプローブ１８の高圧プローブバイアスから隔離する。光結合された増幅器が、電気的に駆動される光源及びこの光源から絶縁された光検出器を用いることにより、連続的な電気接続なしで電気信号の伝送を与えることは、電子技術分野において周知である。スキャナプローブ１８をデータ収集コンピュータ２２から隔離することにより、感光体１２の接地平面をバイアスするのではなく、スキャナプローブ１８を感光体１２の平均表面電位にバイアスし、したがって、空気破壊及びアーク形成を阻止することを可能にする。光学的に結合された増幅器は、プローブ信号をデータ収集コンピュータ２２に与え、ここでプローブ信号が記録及び／又は分析される。

スキャナプローブ１８は、感光体１２の電位における変化を感知し、これに対応するアナログプローブ信号を生成する。電荷積分器２１は、プローブ信号を処理して、プローブ信号を、データ収集コンピュータ２２による処理が使用できる状態にし、このことは、例えば、プローブ信号を増幅することを含む。図３に示すように、デジタル収集コンピュータ２２は、プロセッサ３０２と、システムクロック３１４と、プローブ信号をデジタル信号に変換するためのアナログデジタル変換（ＡＤＣ）モジュール３１２とを含む。変換プロセスは、アナログプローブ信号を、クロック３１４により同期される所定の周波数（ＡＤＣモジュール３１２の周波数とも呼ばれる）でサンプル処理することを含み、これはエンコーダ３０の動作に対応するものである。現在の例においては、ＴＴＬ互換性とすることができるクロック３１４は、１旋回当たり約２００００パルスを発生させる。クロック３１４及びエンコーダのパルスは、クロック３１４の１旋回当たりのパルスがエンコーダ３０のそれよりはるかに多いため、同期される必要はない。デジタルプローブ信号は、変換されると、プロセッサ３０２による処理が使用できる状態になる。

走査中、ステッピングアクチュエータの組み合わせ２８（例えば、ステッパモータとマイクロメータスクリューとの組み合わせ）は、スキャナプローブ１８を新規な走査線位置まで移動させ、プロセスは、帯電、電荷における変化の測定、及び感光体１２の放電について繰り返される。本開示の一実施形態においては、離間された及び／又は互い違いに配置された高解像度のプローブ１８のアレイが与えられ、この高解像度のプローブ１８のアレイは、同時に、異なるそれぞれの走査線に沿って走査する。

図２を参照すると、例示的なスキャナプローブ１８が示されている。スキャナプローブ１８は、下方端部２５を有する中央電極３２と遮蔽電極３４とを含む。中央電極３２及び遮蔽電極３４の両方は、金属のような導電性材料で形成される。中央電極３２は、薄い絶縁性コーティングにより、遮蔽電極３４から絶縁される。中央電極３２の導電性材料は、非常に薄い材料により絶縁される小径ワイヤとして与えることができる。下方端部２５の断面は円形である。

中央電極３２は、接地ワイヤ３６により電気的に接地された遮蔽電極３４に埋め込まれる。接地された遮蔽電極３４は、電磁雑音に対する遮蔽物として用いられる。電位の変化は、埋め込まれた中央電極３２により感知される。遮蔽電極３４内に埋め込まれた中央電極３２の配置のために、スキャナプローブ１８は外部雑音から良好に遮蔽され、好適に堅牢にされる。

中央電極３２のワイヤにおける一連の小さい湾曲部３７及び遮蔽電極３４によるワイヤの周囲は、ワイヤが遮蔽物の中に凹む傾向を阻止し、幾つかの場合には、遮蔽物から完全に抜けることを阻止する。中央電極３２の端部２５と感光体１２の外側像形成表面との間の容量結合は、中央電極３２が遮蔽物に凹み始めるに伴い変化し、したがって、読み取り値に悪影響を与える。接地ワイヤ３６は、遮蔽電極３４への電気接地接続を与える。接地電極３６にはループ３８が与えられて、接地ワイヤ３６の位置を遮蔽電極３４内に固定した状態で維持する。

スキャナプローブ１８の端部２４は、高解像度プローブ１８の中心線に対して垂直であり、電極３２の下方端部２５と遮蔽電極３４の下方端部は、実質的に互いに同一平面上にある。中心電極３２が遮蔽電極３４に凹ませられすぎた場合には、より多くの電束が、中心電極３２上ではなく、遮蔽電極３４に入り、したがって、信号が減少する。中央電極３２の下方端部が遮蔽電極３４を越えて延びた場合には、感光体１２に傷をつけることがある。さらに、研磨により、中央電極３２の下方端部及び遮蔽電極３４の底部が同じ平面になり、良好な遮蔽特性及び検出特性を実現する。したがって、過剰な電界が阻止され、感光体１２に傷をつける可能性は最小になり、スキャナプローブ１８の遮蔽特性及び検出特性は最大になる。

バイアスは、静電電圧計１５により印加される。或いは、印加されるバイアスが、感光体１２の外側像形成表面上の平均表面電位の所定の電圧範囲（現在の例においては＋／−３００Ｖ）内にある限り、静電電圧計１５を用いることなく、バイアスを遮蔽電極３４上に印加することができる。

中央電極３２の下方端部２５と感光体１２の外側像形成表面との組み合わせは、小さい平行板コンデンサを形成する。平行板コンデンサにより形成される容量によって、電荷欠損スポットが検出される。例示目的のために、プローブ端部２４（例えば、中央電極３２の端部２５）と感光体１２の外側像形成表面との間の１００μｍの典型的な間隙距離において、容量は、近似関係

を用いることにより、おおよそ１ｆＦになることが見出され、ここで、Ｃ_couplingは誘起された容量であり、Ａは中央電極３２の下方端部２５における表面の領域（平行板コンデンサの一端として作用する）であり、ε₀は自由空間の誘電率（物理定数）であり、ｄは感光体１２とスキャナプローブ１８とにより形成されたコンデンサ板間の間隙距離である。

一実施形態においては、間隙距離は、約２０マクロメートルと２００マイクロメートルとの間であり、別の実施形態においては、約５０マイクロメートルと約１００μメートルとの間である。間隙距離が約２０マイクロメートルより少ない場合には、プローブが表面に接触して、異常な結果につながることがあるリスクが増加する。間隙距離が約２００マイクロメートルより大きい場合には、プローブ感度及び解像度が実質的に減少する。

０．１ｐＣの電荷が存在する場合には、（Ｑ＝ＣＶ）によれば、容量１ｆＦにわたる電圧は、プローブ端部２４においては１００Ｖである。表面電位は、容量と電圧の関係Ｑ＝ＣＶを用いることにより、

として求めることができ、ここでＶ_surfaceは表面電位であり、Ｑは表面電荷である。
上述の式１は、

を与え、この式を反転させることにより、較正曲線

が与えられる。

Ｖは、間隙距離ｄに直接比例するので、有意義な結果を取得するためには、走査中、間隙距離ｄを一定に保つことが重要である。このことは、感光体１２が取り付けられるドラム１４が僅かに偏心しているために複雑であり、こうした偏心性は典型的には＋／−２５μｍの間の範囲に及ぶ。

距離制御システム２９は、間隙距離における変動を減少させる。距離制御システム２９は、能動制御機器を有する能動距離制御システムであってもよいし、又は、受動距離制御システムであってもよい。しかし、間隙距離における僅かな変化は依然として存在することがあり、スキャナプローブ１８を交換する場合に、望ましい初期間隙距離を実現することは困難である。

スキャナプローブ１８と感光体１２の接地平面との間の容量は、スキャナプローブ１８の端部２４と感光体１２の外側像形成表面との間の距離に反比例する。米国特許番号第６，００８，６５３号は、１００Ｖの方形波パルスがデータ収集周波数と同期してスキャナプローブに印加される、間隙距離を連続的に測定する方法を述べる。

本開示によれば、少なくとも１つの波形発生器３１が方形波といった基準波を、感光体１２の接地平面及び／又はスキャナプローブ１８の遮蔽電極３４に印加する。基準波は、静電プローブ１５及び帯電装置１６によりスキャナプローブ１８及び感光体１２のそれぞれに印加された電位に加えられるものである。基準波の周波数は、ＡＤＣモジュール３１２の周波数と同期しており、その値の半分である。基準波の高点及び低点に対応するスキャナプローブ１８による読み取り値の連続的にサンプル処理された点について分析が実行される。

式（４）は、１／Ｃ_couplingとｄとの間の線形関係を示し、これは距離推定較正曲線を生成するのに用いることができる。距離推定較正曲線は、各々の読み取り後で、所定の固定量だけ段階的に増加する多数のｄの値について、スキャナプローブ１８と感光体１２との間の容量を測定するのに容量ブリッジを用いることによるような一連の読み取り値を取ることにより求められる。プローブの読み取り値の反転されたものが対応する間隙距離に対してプロットされる。実験的には、プロットされた点は実質的な直線に嵌まることが示された。実質的な直線の傾斜は、スキャナシステム１０を較正するために求められる。

マッピングｄ→ｄ＋δが距離推定較正曲線の式に適用される。距離推定較正曲線の式は、オフセットの修正のために変更され、以下のようになる。

変更された距離推定較正曲線は、非ゼロ切片をもつ直線の式を有する。測定された較正線の傾斜及び切片を測定することにより、（１／Ａ_δ0）及びδの値が与えられる。量（１／Ａ_δ0）が求められると、式（４）を用いて真の距離が求められる。したがって、距離推定較正曲線は、スキャナプローブ１８と感光体サンプル１２との間の容量を測定することによる走査動作中に、間隙距離を求めるのに容易な方法を与える。

スキャナシステム１０を用いる走査動作中、０Ｖ点並びに１００Ｖ点について取られた測定値間の差に対応する間隔、及び、スキャナシステム１０の較正中に求められた傾斜を用いて、現在走査されている感光体１２上の点における間隙距離を求める。間隙距離は、ピクセルが、感光体１２上の走査されたそれぞれの点に対応する、ピクセルの２−Ｄアレイにおける各々のピクセルについて求められる。距離の判断に対する修正は、バイアスされたスキャナプローブ１８及びバイアスされた感光体１２の組み合わせの平板式コンデンサの特性を考慮する。しかし、走査動作の目的は、感光体１２に存在することがある局所的で点状のＣＤＳを識別し、求めることである。ＣＤＳの点状電荷を考慮するために、さらに別の修正が必要である。

図３により詳細に示すコンピュータ２２とも呼ばれるデータ収集コンピュータ２２は、それぞれのプローブの読み取りを処理し、適切な距離推定較正曲線にアクセスして修正された距離を求める。さらに、コンピュータ２２は、それぞれのプローブの読み取り及び印加された基準波電位を処理して、ＣＤＳの電位を求め、この電位は、さらに、修正された距離及びスキャナプローブ１８の寸法（例えば、寸法は半径又は直径である）に基づいて調整され、より具体的には、スキャナプローブ１８の中央電極３２の寸法（例えば、半径又は直径）に基づいて調整される。

コンピュータ２２は、マイクロプロセッサのような少なくとも１つのプロセッサ３０２を含む。コンピュータ２２は、さらに、距離推定ソフトウェアモジュール３０６と、電荷修正ソフトウェアモジュール３０８と、電荷判断モジュール３１０とを含む。ソフトウェアモジュール３０６、３０８、及び３１０の各々は、少なくとも１つのプロセッサにより実行可能なそれぞれの一連のプログラム可能命令を含む。一連のプログラム可能命令は、少なくとも１つのプロセッサ３０２によりアクセス可能な格納装置３０４上で格納することができ、又は、少なくとも１つのプロセッサ３０２による実行のために伝播される信号により伝送されて、ここに述べられる機能を実行し、本開示による技術的効果を実現することができる。

電荷判断モジュール３１０は、距離推定モジュール３０６及び電荷修正モジュール３０８に対して、感光体１２上の走査された点についての修正された距離を求め、修正された距離を用いて、１つ又はそれ以上のＣＤＳに対応する電荷が検出されたかどうかを求めるように要求する。距離推定モジュール３０６は、距離推定較正曲線を参照し、電荷修正モジュール３０８は、プローブの読み取りを分析する場合に、電荷修正曲線を参照する。

距離推定較正曲線は、実際の走査動作が始まる前に、距離推定モジュール３０６により生成される。較正試験は、試験点を用いて走査することにより実行され、間隙距離は、各々の試験点について段階的に変化する。この距離推定モジュール３０６は、試験点について式（５）を実行し、対応する距離推定較正曲線を生成するためのアルゴリズムを含み、これには、（１／Ａ_ε0）及びδを求めるために距離推定較正曲線の傾斜及び切片を求めることが含まれる。

電荷修正曲線は、スキャナプローブ１８の中央電極３２の直径又は半径、感光体厚さ、及び感光体１２の相対的な誘電定数を、ＣＤＳの点状性質及びスキャナプローブ１８の有限の直径又は半径を考慮する静電モデルから引き出された式の中に入力することにより、用いられている特定のスキャナシステム１０及び試験されている感光体１２の数学的モデルを用いて求められる。静電モデル及びそれから引き出された式は、以下に述べられる。

図８は、感光体１２の厚さが３０μｍであり、スキャナプローブ１８の半径（Ｒ）が７０μｍであり、感光体１２の相対誘電定数（α）が３．０である場合におけるプローブ半径の比率に対する間隙距離の比率が、修正された電荷の比率（感知された電荷／合計電荷）に対してプロットされた例示的な電荷修正曲線を示す。スキャナプローブ１８において誘起された電荷は、間隙距離ｄが増加するに伴い減少する。走査されている点に対応する修正された距離は、電荷修正曲線にアクセスして修正された電荷の比率を調べる電荷修正モジュール３０８に入力される。

距離推定較正曲線及び電荷修正曲線は、ルックアップ表（ＬＵＴ）の形態におけるような格納装置３０４に格納することができる。距離推定モジュール３０６及び電荷修正モジュール３０８は、格納装置３０４にアクセスして、適切な曲線又はＬＵＴにアクセスする。距離推定モジュール３０６は、プローブの読み取り値を用いて、修正された距離を調べる。電荷修正モジュール３０８は、少なくとも、修正された距離情報、電荷測定値（すなわち、読み取り値）、及び入力基準波に対応する値を用いて、修正された電荷比率値を調べる。対応するＬＵＴに含まれるプロットされた点又は複数の点の間にあるそれぞれの曲線から情報を引き出すために、線形補間が実行される。修正された距離測定が知られていない場合、又は、理想的なスキャナシステムのために距離推定が不要である場合には、修正されていない距離を電荷修正モジュール３０８に入力することができる。修正された電荷の比率を調べるのに電荷修正曲線を用いる代わりに、以下にさらに述べられる式（２２）などの式を用いて、感光体１２上で走査されたそれぞれの点について修正された電荷の比率を計算することができる。

感光体１２の走査中、基準波が印加されて、プローブの読み取り値が収集される。距離推定モジュール３０６は、感光体１２が走査されるときに、感光体１２に沿ったそれぞれの点（又はピクセル）に対応するプローブの読み取り値を適用する。距離推定モジュール３０６は、距離推定較正曲線にアクセスし、それぞれのプローブの読み取り値から抽出された情報を用いて、プローブ１８と感光体１２上で測定される点との間の間隙距離に関する実際の距離情報を調べる。情報は、以下にさらに述べられる標準的な数値補間を用いて抽出することができる。距離推定は、測定値を計器のゲイン変動（例えば、ドリフトなど）のいずれに対しても正規化し、一様に分布される電荷に対する距離の変化を補償する。しかし、距離推定モジュール３０６を用いて実行される修正は、求められているプローブの有限の大きさ及びＣＤＳの点状性質を考慮するものではない理想化された静電モデルについて修正するものである。

次いで、電荷判断モジュール３１０は、走査されている点についてのプローブの読み取り、及び、基準波により印加された入力電位に基づいて、計算を実行する。計算は、さらに、電荷修正モジュール３０８に対して、電荷判断が、プローブの有限の大きさ及び感光体上に見出されることがあるＣＤの点状性質を考慮するように調整する電荷修正アルゴリズムを実行するように要求することを含む。電荷修正モジュール３０８は、電荷修正曲線ン又は対応するＬＵＴにアクセスして、修正された電荷情報を調べる。

図４及び図５は、感光体の走査についての実験データの計数結果を示す。電荷修正モジュール３０８は、表面モデルの局所的なピークがＣＤＳに対応する立体的な三次元表面モデルを出力する。表面モデルは、グレイスケール強度レベルが、感光体の走査中に取得されたデータを用いて計算された感光体の電荷振幅に比例し、暗いシェーディングは高い電位に対応する（逆もまた同様）画像として視覚化される。結果として得られる画像は、典型的には、小さい暗いグレイのスポット及び黒色スポット（ＣＤＳ）をもつ一様なグレイ画像である。スポットが十分に暗い場合（例えば、感光体上で検出された大きい電位の振幅に対応する所定の強度閾値を越えるグレイスケールシェーディング強度を有する場合）には、それは計数される。市販のソフトウェアのスポット計数ルーチンを、スポットの計数に利用できる。

点４０２及び点５０２（塗りつぶし円のドットとして示す）は、距離推定モジュール３０６により与えられる距離の推定を用いて生成された画像から計数されるｃｍ²毎に計数されたスポットの数（スキャナスポット計数／ｃｍ²と呼ばれる）に対応するようにプロットされる。点４０４及び点５０４（空の四角形のドットとして示す）は、距離推定モジュール３０６により与えられる距離推定、並びに、電荷修正モジュール３０８により与えられる電荷修正を用いて生成された画像から計数されたスキャナスポット計数／ｃｍ²に対応するようにプロットされ、点４０２及び点５０２を生成するのに用いられる画像、及び、点４０４及び点５０４を生成するのに用いられる画像は、同じ組の測定されたデータを用いて生成される。図４においては、点４０２及び４０４についてのスキャナスポット計数は、スキャナプローブ１８と感光体１２との間の間隙距離における変動についてプロットされる。図５においては、点５０２及び点５０４についてのスキャナスポット計数は、感光体１２上の開始位置から感光体１２の１００フィート（３０．４８ｍ）のスパンに沿って走査されている点の位置までの距離における変動についてプロットされる。点５０２に対応する曲線５０６、及び、点５０８に対応する曲線５０８が示される。

図４においては、線４０６は、間隙距離のスパン上の点４０２についての平均スキャナスポット計数を示す。線４０８は、間隙距離のスパン上の点４０４についての平均スキャナスポット計数を示す。線４０８に対する点４０４の変動に比較した場合に、線４０６に対する点４０２について、より大きな変動量が示される。線４０８に対する非ゼロ傾斜は、感光体１２における僅かなＣＤＳのフィート数の傾向のためとすることができる。図５においては、点５０２及び曲線５０６は、有意義なものとするには雑音が多すぎ、点５０４及び曲線５０８は、感光体１２のフィート数の関数として線形の傾向を示唆する。

図６及び図７を参照すると、電荷修正曲線の派生が述べられている。ＣＤＳ事象の静電学モデルを図６に示す。ＣＤＳ電荷は、平行板コンデンサの内側の点電荷６００としてモデル化され、点電荷６００は、厚さがｓで示される感光体１２上に与えられた誘電材料の層上に載っている。反対の極性の電荷は、コンデンサの上部板及び底部板において誘起される。スキャナプローブ１８の中央電極３２は、感光体１２の表面の上の高さｄで保たれ、（空）隙がスキャナプローブ１８と感光体１２の表面との間に形成され、ここで、ｄは空隙距離である。（空）隙の誘電率は、ε_dにより示され、ε₀になるようにすることができる（すなわち、式（１）の場合における真空の誘電率）。感光体１２は、厚さｓの誘電体層及び誘電体ε_sの誘電率により表わされる。中央電極３２のコアは、直径２Ｒを有し、ごく僅かな距離だけ遮蔽電極３４から分離されている。モデルにおいては、遮蔽電極３４は、大きさにおいて無限であるようにされる。

図６においては、寸法（例えば、半径）「ａ」をもち、一様な電荷密度σを有する一様に帯電された円形パッチ６０２により誘起された電荷の問題の幾何学的形状を示す。点電荷の限界は、限界ａ→０を取ることにより、この場合の解法が取得された後で取り、パッチ上の合計電荷πａ²σを一定に保つことができる。次いで、ＣＤＳの電荷におけるこの合計電荷、すなわち、ｑ_CDS＝πａ²σを識別することができる。簡単な例においては、スキャナプローブ１８及び感光体１２は接地される。スキャナプローブ１８及び／又は感光体１２が非ゼロ電位に保たれている場合には、非均質一様境界条件について計算された解法に修正を加えなければならない。

中央電極３２のコアと遮蔽電極３４との間の間隙が小さいため、スキャナプローブ１８は、単一の平坦な電極によりモデル化できると仮定される。また、さらに別の一般化として、問題の複雑性を大いに増加させることはないため、この電極は、接地されるのではなく、電位Ｖで保たれるようにモデル化される。問題の静電モデルを図７に示す。図７は、実際のプローブ構造が単一の平坦な電極７０２で置き換えられ、この単一の平坦な電極７０２が接地されるのではなく、電位Ｖで保たれるという点で、図６と異なっている。

源が帯電されたディスクの中心にある円筒形座標システムを用いて、静電問題に対する解法を取得する。

がスキャナプローブ１８と感光体１２との間の領域における電位であり、

が感光体１２内の電位である場合には、静電問題は、以下の式

により定義される。
式（９）においては、派生物は、ｚ＝０における誘電インターフェースのちょうど上（下）で取られなければならず、θ（ｘ）は

により定義されるヘヴィサイド階段計数である。

式（９）は、変位フィールドの垂直成分は、ρ＞ａである場合には誘電インターフェースにわたり連続的であり、ρ＜ａである場合にはσだけ不連続であることを規定する。スキャナプローブ１８の非均質一様境界条件に対応するためには、線形重ね合わせの原理を用いることにより、問題が２つの小問題に分割される。第１の小問題は、帯電されたディスクのない式（８）により規定される一様境界条件に対応し、第２の小問題は、両方の電極が接地されているが、式（９）における境界条件を含み、すなわち、第２の小問題は、帯電されたディスクの存在を考慮する。第１の小問題及び第２の小問題のそれぞれに対する解法は、第１の領域及び第２の領域のそれぞれ（例えば、感光体１２の内側及び外側のそれぞれ）においてｕ_s.d（ｚ）及びΦ_s.d（ρｚ）として示される。第１の小問題及び第２の小問題の解法は、

によりオリジナルの問題に関連する。
解法ｕ_s.d（ｚ）及びΦ_s.d（ρｚ）は、

により与えられ、ここでＪ₀（ｘ）及びＪ₁（ｘ）はベッセル関数である。源が点電荷ｑ_CDSである場合には、式（１２）及び式（８）は影響されないまま残るが、式（１４）及び式（１５）は

になり、ここで、限界はａ→０であり、ｑ_CDS＝πａ²σは一定のまま保たれる。

空隙

における合計電位を知ることにより、スキャナプローブ１８において誘起された電荷密度を計算することができる。点電荷の場合においては、電荷密度は、

により与えられ、

であり、ここでａは、空隙の誘電定数に対する感光体１２の相対誘電定数である。

Ｒにより（すなわち、スキャナプローブ１８のコアにおいて）定義される領域内で誘起される合計電荷は、式（１７）における電荷密度を統合することにより取得される。

スキャナプローブ１８の通常の動作中、感光体１２は、幾らかの電位まで帯電され、同じ電圧が図７における上方電極に印加される。式（２０）における第１の項は、事実上、Ｖ＝０としてドロップアウトする。スキャナプローブ１８において誘起される電荷は、合計電荷の一部（すなわち、中央電極３２及び遮蔽電極３４において誘起される電荷）として表現することができ、これは、スキャナプローブ１８の先端部において誘起される電荷密度であり、図７に示す単一の平坦な電極７０２において誘起される合計電荷である。合計電荷は、以下のように与えることができる。

式（２１）を式（１６、１７、１８、及び２０）に導入することにより、スキャナプローブ１８の有限の大きさに対する重大な依存を捕らえ、より容易に測定されるｑ_totalの項における未知の電荷ｑ_CDSの出現をなくす。この場合においては、換算されたスキャナプローブ１８の電荷は、

として書くことができ、ここで、ｑ_probeはスキャナプローブ１８の先端部において誘起される合計電荷であり、ｋは積分の変数であり、Ｒはスキャナプローブ１８の中央電極２２の寸法（例えば、半径又は直径）であり、ｄは距離推定モジュール３０６により与えられる修正された距離であり、ｓは誘電体の厚さであり、ａは感光体１２の誘電定数である。

したがって、式（２２）は、電荷修正曲線（図８に示す例示的な修正曲線８０２のような）を生成するため、又は、ｑ_probeを求めるための既知の値を入力するために用いられる。

走査動作中、電荷修正は以下のように実行される。（反対の極性の）電荷が、走査プローブ１８及び感光体１２の接地平面において誘起された電位により形成されたコンデンサの上部板及び底部板において誘起される。方形波電圧信号（例えば、５０Ｖ_ppの方形波）が感光体１２の底部板（例えば、接地平面）及び／又は遮蔽プローブ３４（例えば、スキャナプローブ１８の浮動接地部）に印加される。スキャナプローブ１８は、誘起された電荷を感知し、これは次いで、電荷積分器２１の増幅器により増幅され、Ｖ_outとして増幅器から出力され、ここで、増幅器は相互ゲインＧを有する電荷対電圧増幅器である。Ｖ_outは、感光体１２の接地平面（及び／又はスキャナプローブ１８の浮動接地）に印加された方形波のために、

と、感光体１２上のＣＤＳにより引き起こされた信号である

と、を含み、ここでＶ_CDSは

上に重ね合わせることができる。

増幅器からのアナログＶ_out信号は、コンピュータ２２のＡＤＣモジュール３１２によりサンプル処理される。サンプル処理は、方形波の周波数の少なくとも２倍である周波数を有するように方形波信号の周波数と同期され、少なくとも１つのサンプルが、方形波のそれぞれの期間の高い部分及び低い部分の各々について取得される。図９を参照すると、例示的な信号Ｖ_out信号９０２（実線）が

及び

の成分を含む状態で、破断されて示されている。Ｖ_outの

信号成分９０４（ダッシュ線）は、一様な電位として示されている。サンプル処理された電位の読み取り値は、Ｖ₀、Ｖ₁、及びＶ₂で取られる。以下の計算は、Ｖ_outの

成分とＶ_CDS成分とを分離するための２つ又はそれ以上の点に対する補間技術を用いて行われる。以下の式においては、簡単にするために、電荷の極性は示されておらず、絶対値が用いられる。電荷の極性は、それらが用いられる内容から求めることができる。距離推定モジュール３０６は、以下のような計算を遂行し、

方形波の振幅は、

以前に準備された距離推定較正曲線を用いることにより、距離推定モジュール３０６は、方形波の算出された振幅と相関する修正された間隙距離を調べる。方形波信号は、さらに、Ｖ_CDSがスキャナプローブ１８の下に一様に分布された電荷によるものであると仮定し、

を正規化し、

を間隙距離とは独立したものにするための較正信号として作用する。しかし、ＣＤＳは点状であり、電荷の一様性はもたない。したがって、修正された距離は、個々のＣＤＳの点状性質を考慮して、測定されたＣＤＳの電荷を調整する電荷修正モジュール３０８に与えられる。

電荷修正モジュール３０８によりアクセスされる電荷修正曲線は、以下のように、既知の関数ｆとして表現される。

式（２４）は、コンデンサの上部板において誘起された電荷のすべてがスキャナプローブ１８により見られるわけではないという事実を表現する（式（２１）及び式（２２）を参照されたい）。したがって、

であり、ここで

は式の組（２３）によりプローブの読み取り値から計算される測定されたＣＤＳ電位であり、Ｇは電荷積分器２１の増幅器の計器特有の増幅器の相互的なゲインである。
プローブ容量全体は、

として書かれ、ここで、ｋ_s＝ε_s／ε₀は感光体の誘電定数であり、Ｃ_probeはプローブにおいて誘起された容量であり、Ｃ_airは空隙において誘起された容量であり、Ｃ_PRは感光体において誘起された容量である。

方形波は、さらに、スキャナプローブ１８において電荷を誘起する。方形波からの電荷はスキャナプローブ１８の下に一様に分布されるため、標準的な容量関係を用いて、測定された方形波電圧を計算する。

であり、ここで

は印加された方形波の既知の振幅であり、

はサンプル処理された電位値から算出された感知された方形波の振幅である。

式（２５）、式（２６）、及び式（２７）は以下のように組み合わされ、

ここでは、空気の誘電定数は１であると仮定され、したがって、式（１９）におけるａは感光体材料の誘電定数ｋ_sである。単純な容量関係を用いて、電位Ｖ_CDSをｑ_CDSと相関させ、

ここで

は電荷修正モジュール３０８によりアクセスされた及び／又は求められた電荷修正曲線である。

幾何学的形状が

である場合には、式（３１）は、電荷修正モジュール３０８を呼び出すことなく、電荷判断モジュール３１０により用いられる式になる。しかし、ＣＤＳの点状性質に合わせて調整するために、電荷判断モジュール３１０は電荷修正モジュールを呼び出して、関数ｆを適用する。

ｑ_probeが求められると、ｑ_CDSの真の値、例えば、感光体１２上のＣＤＳについての電荷が求められる。次いで、Ｃ_PR＝ｑ_CSSを用いて、Ｖ_CDSを求めることができる。Ｖ_CDSについて計算される値は画像としてプロットされる。計数ルーチンは、所定の閾値を超えるＶ_CDSの読み取り値に対応するスポットを計数する。感光体１２についての領域当たりの合計計数を安定した制御サンプルと比較して、感光体１２の安定性を求めることができる。

本開示によるスキャナシステムの実施形態の概略図である。 図１に示すスキャナシステムに採用されるスキャナプローブの概略側断面図である。 図１に示すスキャナシステムに採用されるデータ収集コンピュータのブロック図である。 電荷修正なしでプロットされたスキャナスポット計数と比較した、本開示による電荷修正を用いてプロットされたスキャナスポット計数を含む、スキャナプローブと走査された感光体との間の間隙距離の変動についてプロットされた、実験的に求められたスキャナスポット計数のプロットである。 電荷修正なしでプロットされたスキャナスポット計数と比較した、本開示による電荷修正を用いてプロットされたスキャナスポット計数を含む、走査された感光体上の開始位置に対する感光体の長さに沿った種々の位置についてプロットされた、実験的に求められたスキャナスポット計数のプロットである。 一様に帯電された円形パッチにより誘起された電荷の問題の幾何学的形状の図である。 一様に帯電された円形パッチにより誘起された電荷の問題の静電モデルの図である。 本開示による電荷修正曲線である。 プローブ読み取り信号の概略図である。

符号の説明

１０：スキャナシステム
１２：感光体
１４：ドラム
１５：静電電圧計プローブ
１６：帯電装置
１８：スキャナプローブ
２０：バイアス電圧増幅器
２１：電荷積分器
２２：データ収集コンピュータ
３１：波形発生器

Claims (4)

1. 帯電可能表面上の電荷欠損スポット（ＣＤＳ）を検出するためのコンタクトレスシステムであって、
   第１の電圧電荷を受け取り保持するように、帯電可能表面を帯電するための第１の回路と、
   前記帯電可能表面からある距離だけ変位されかつ直径を有するプローブ表面を有するスキャナプローブと、
   前記スキャナプローブを、前記第１の電圧電荷の所定の電圧閾値内の第２の電圧電荷までバイアスするための第２の回路と、
   を含み、前記帯電可能表面と、前記スキャナプローブの表面と該帯電可能表面との間の誘電物質により平行板コンデンサが確立され（established）、前記スキャナプローブが、前記印加された電荷により誘起された電荷に関連する電位、及び前記帯電可能表面上のＣＤＳのいずれかに関連する電位を読み取り、このことは、前記電位を感知し、前記感知に対応する信号を生成することを含んでおり、
   前記スキャナプローブと前記帯電可能表面の少なくとも一方に基準電荷を印加するための第３の回路と、
   プロセッサと、
   前記帯電可能表面上のＣＤＳの電位を求めるために、前記スキャナプローブの読み取り値及び前記印加された電荷の少なくとも１つに基づいて、前記プロセッサにより実行可能なプログラム可能命令を含む電荷判断モジュールと、
   を含み、これは、前記帯電可能表面上の前記ＣＤＳの点状性質により引き起される非一様な電荷分布を修正することを含む、
   ことを特徴とするコンタクトレスシステム。
2. 前記修正が、前記スキャナプローブの前記直径と、前記帯電可能表面が走査されている場所における、前記スキャナプローブの表面から該帯電可能表面までの距離に基づいて、前記ＣＤＳの所定の電位を調整することを含む請求項１に記載の走査システム。
3. 前記帯電可能表面及び前記スキャナプローブが互いに移動するときに、前記帯電可能表面のＣＤＳを走査するために、前記スキャナプローブと前記帯電可能表面との間の相対運動を確立するための機構と、
   前記スキャナプローブと前記帯電可能表面との間の前記相対運動が確立されるときに、前記スキャナプローブの表面と前記帯電可能表面との間の距離を一定に維持するための装置と、
   をさらに含む請求項１に記載の走査システム。
4. 前記スキャナプローブの読み取り及び以前に生成された較正曲線に基づいて、前記帯電可能表面が走査されている場所において、前記スキャナプローブの表面と前記帯電可能表面との間の前記距離を求めるために、前記プロセッサにより実行可能なプログラム可能命令を含む距離修正モジュールをさらに含む請求項３に記載の走査システム。

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