JP2007127420A - Potential detection sensor and image forming device equipped therewith - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定面、例えば感光ドラム表面の電位を検知する電位検知センサ及びこれを備えた画像形成装置に関する。 The present invention relates to a potential detection sensor that detects a potential of a surface to be measured, for example, a photosensitive drum surface, and an image forming apparatus including the same.
電子写真方式の画像形成装置では、環境の変化にかかわらず、帯電時に感光ドラム表面を均一に帯電することが必須である。このため、感光ドラムの帯電電位を電位測定装置(電位検知センサ)を用いて測定し、その結果を利用して感光ドラムの電位を均一に保つフィードバック制御を行っている。 In an electrophotographic image forming apparatus, it is essential to uniformly charge the surface of the photosensitive drum during charging regardless of changes in the environment. For this reason, the charged potential of the photosensitive drum is measured using a potential measuring device (potential detection sensor), and feedback control is performed to keep the potential of the photosensitive drum uniform using the result.
従来の電位検知センサとしては、非接触式電位検知センサがあり、ここでは機械式交流電界誘導型と呼ばれる方式がしばしば用いられる。この方式では、測定対象の表面の電位は、電位検知センサに内蔵される検知電極から取り出される電流の大きさの関数であり、
i=dQ/dt=d/dt[C・V]……(1)
という式で与えられる。ここで、Qは検知電極上に現れる電荷量、Cは検知電極と測定対象間の結合容量、Vは測定対象の表面の電位である。また、この容量Cは、
C=A・S/X……(2)
という式で与えられる。ここで、Aは物質の誘電率などに係る比例定数、Sは検知電極面積、Xは検知電極と測定対象間の距離である。
As a conventional potential detection sensor, there is a non-contact potential detection sensor, and here, a method called a mechanical AC electric field induction type is often used. In this method, the potential of the surface of the measurement target is a function of the magnitude of the current extracted from the detection electrode built in the potential detection sensor,
i = dQ / dt = d / dt [C · V] (1)
It is given by the formula. Here, Q is the amount of charge appearing on the detection electrode, C is the coupling capacitance between the detection electrode and the measurement object, and V is the potential of the surface of the measurement object. The capacity C is
C = A / S / X (2)
It is given by the formula. Here, A is a proportional constant related to the dielectric constant of the substance, S is the detection electrode area, and X is the distance between the detection electrode and the measurement object.
これらの関係を用いて、測定対象の表面の電位Vを測定するのであるが、検知電極上に現れる電荷量Qを正確に測定するには、検知電極と測定対象間の容量Cの大きさを周期的に変調するのがよいことが、これまでに分かっている。この容量Cの変調方法としては、下記の方法が知られている。 Using these relationships, the potential V of the surface of the measurement object is measured. To accurately measure the charge amount Q appearing on the detection electrode, the size of the capacitance C between the detection electrode and the measurement object is set. It has been found so far that it should be modulated periodically. As a method for modulating the capacitance C, the following method is known.
第1の方法は、検知電極の面積Sを実効的に変調するものである。この方法の代表的な例では、測定対象と検知電極間にフォーク形状のシャッタを挿入し、シャッタを測定対象の表面と平行な方向に周期的に動かす。これにより、検知電極上に到達する測定対象からの電気力線の遮蔽程度を変化させ、実効的に検知電極の面積を変化させて、測定対象と検知電極間の静電容量Cの変調を実現している。このほかに、測定対象と対向する位置に開口部を有した金属の遮蔽部材を配置するものがある。このものは、フォークの形状をした振動素子の先端に検知電極を設けてこの検知電極の位置を開口部直下で平行に変化させることで、検知電極に達する電気力線の数を変調し、静電容量Cの変調を行っている。 The first method is to effectively modulate the area S of the detection electrode. In a typical example of this method, a fork-shaped shutter is inserted between the measurement object and the detection electrode, and the shutter is periodically moved in a direction parallel to the surface of the measurement object. As a result, the degree of shielding of the lines of electric force from the measurement target reaching the detection electrode is changed, and the area of the detection electrode is effectively changed to realize the modulation of the capacitance C between the measurement target and the detection electrode. is doing. In addition, there is one in which a metal shielding member having an opening is arranged at a position facing the measurement object. In this device, a detection electrode is provided at the tip of a fork-shaped vibration element, and the position of the detection electrode is changed in parallel just under the opening, thereby modulating the number of lines of electric force reaching the detection electrode and The capacitance C is modulated.
第2の方法は、検知電極と測定対象間の距離Xを周期的に変えるものである。この方法の代表的な例では、検知電極を片持ち梁状の振動子の先端に配置し、片持ち梁を振動させることで測定対象と検知電極間の距離Xを周期的に変化させ、静電容量Cの変調を行っているものがある。 The second method is to periodically change the distance X between the detection electrode and the measurement object. In a typical example of this method, the detection electrode is arranged at the tip of a cantilever-shaped vibrator, and the cantilever is vibrated to periodically change the distance X between the measurement target and the detection electrode. There is one that modulates the capacitance C.
ところが、これらの方法を用いた電位検知センサを有する画像形成装置内部において、飛散したトナーやゴミ等が検知電極や開口部に付着した場合、実効的な検知電極の面積が変化して測定対象の電位を正確に測定できなくなる欠点があった。 However, when scattered toner or dust adheres to the detection electrode or the opening in the image forming apparatus having the potential detection sensor using these methods, the effective detection electrode area changes and the measurement target There was a drawback that the potential could not be measured accurately.
このトナーやゴミ等がセンサに付着することに対する対策として、センサに対し感光体と等価な距離の導電体に既知の基準電圧を印加してその電位を測定するものがある。実際のセンサ検出特性を求め、電源オン直後と所定枚数コピー毎に検出特性を校正し、補正量が大きくなったときにはセンサの清掃を促すメッセージを表示するといったものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 As a countermeasure against the adhesion of the toner, dust and the like to the sensor, there is a technique in which a known reference voltage is applied to a conductor at a distance equivalent to the photosensitive member and the potential is measured. It has been proposed to obtain actual sensor detection characteristics, calibrate the detection characteristics immediately after the power is turned on and every predetermined number of copies, and display a message prompting the sensor to be cleaned when the correction amount becomes large (for example, patents) Reference 1).
また、感光ドラム表面のトナーを乱したり、飛翔させたりしない程度の空気流を発生させ、かつ、この空気流がセンサの計測する領域に入り込まないようにセンサのハウジング形状を構成したものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Also proposed is a sensor housing configuration that generates an air flow that does not disturb or fly the toner on the surface of the photosensitive drum, and does not enter the area measured by the sensor. (For example, refer to Patent Document 2).
しかしながら、上述の特許文献1の方法では検知電極や遮蔽部材の開口部に対するゴミ等の付着を防止することはできない。また、特許文献2の方法では、画像形成装置の電源が入っていない状態では画像形成装置内部で飛散したトナーやゴミ等が検知電極や遮蔽部材の開口部に付着することを防止することはできない。 However, the method disclosed in Patent Document 1 cannot prevent dust and the like from adhering to the detection electrode and the opening of the shielding member. Further, according to the method of Patent Document 2, it is impossible to prevent toner, dust, or the like scattered inside the image forming apparatus from adhering to the detection electrode or the opening of the shielding member when the image forming apparatus is not turned on. .
この結果、トナー等が検知電極や遮蔽部材の検知窓の開口端部に付着して検知電極の有効面積が変化し被測定物の表面電位を正確に測定できず感光ドラムを適切に帯電することができなくなって安定した画像が得られないという問題は残されたままだった。 As a result, toner or the like adheres to the open end of the detection electrode or the detection window of the shielding member, and the effective area of the detection electrode changes, so that the surface potential of the object to be measured cannot be accurately measured and the photosensitive drum is appropriately charged. The problem of not being able to obtain a stable image due to the inability to remain was left.
また近年、感光ドラムの小径化、ドラム周りの高密度化により、電位検知センサも小型化、薄型化が求められている。 In recent years, the potential detection sensor is required to be reduced in size and thickness as the diameter of the photosensitive drum is reduced and the density around the drum is increased.
ここで、機械式交流電界誘導型の電位検知センサから出力信号として取り出される電流の大きさは、前述の式(1)及び(2)より、
i=d/dt[A・V・S/X]……(3)
で与えられるので、上述のような電位検知センサの小型化に伴い、検知電極面積Sが小さくなってしまい、このことでセンサ出力電流iも小さくなり、トナーやゴミ等の影響を受けやすくなって測定精度の点で不利となる。
Here, the magnitude of the current taken out as an output signal from the mechanical AC electric field induction type potential detection sensor is based on the above formulas (1) and (2).
i = d / dt [A · V · S / X] (3)
Therefore, with the downsizing of the potential detection sensor as described above, the detection electrode area S becomes smaller, which also reduces the sensor output current i, which is easily affected by toner, dust, and the like. This is disadvantageous in terms of measurement accuracy.
そこで、本発明は、小型で、しかも被測定物の表面電位を正確に測定することのできる電位検知センサ、及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a potential detection sensor and an image forming apparatus that are small in size and can accurately measure the surface potential of an object to be measured.
本発明は、被測定面に対向配置された揺動自在な揺動体と、前記揺動体における被測定面側の面に配設された検知電極と、前記検知電極と被測定面との間に配置された検知窓を有する遮蔽部材と、前記揺動体を揺動させる駆動手段とを備え、前記揺動体の揺動による被測定面と前記検知電極との距離の変化に基づいて被測定面の電位を検知する電位検知センサにおいて、前記遮蔽部材は、前記検知窓を含む部分に振動する振動部を有し、前記駆動手段は、印加される周波数に対応して、前記振動部を振動させることなく前記揺動体を揺動させる検知モードと、前記揺動体を停止又は揺動させた状態で前記振動部を振動させる清掃モードとを有する、ことを特徴とする。 The present invention relates to a swingable swinging body disposed opposite to a surface to be measured, a detection electrode disposed on a surface of the swinging body on the surface to be measured, and between the detection electrode and the surface to be measured. A shielding member having a detection window arranged; and a driving means for swinging the swinging body, and based on a change in the distance between the surface to be measured and the detection electrode due to swinging of the swinging body, In the potential detection sensor for detecting a potential, the shielding member includes a vibrating portion that vibrates in a portion including the detection window, and the driving unit vibrates the vibrating portion in accordance with an applied frequency. And a cleaning mode in which the vibration part is vibrated while the rocking body is stopped or rocked.
また、本発明は、前記測定面としての像担持体表面を帯電する帯電手段と、帯電後の前記像担持体表面を露光して静電潜像を形成する露光手段と、静電潜像をトナー像として現像する現像手段とを備えた画像形成装置において、帯電後の前記像担持体表面の電位を検知する電位検知手段を備え、前記電位検知手段が、上述の電位検知センサである、ことを特徴とする。 The present invention also provides a charging means for charging the surface of the image carrier as the measurement surface, an exposure means for exposing the charged surface of the image carrier to form an electrostatic latent image, and an electrostatic latent image. An image forming apparatus including a developing unit that develops a toner image, the image forming apparatus including a potential detection unit that detects a potential of the surface of the image carrier after charging, and the potential detection unit is the above-described potential detection sensor. It is characterized by.
本発明によると、検知モードにより振動部を振動させることなく揺動体を揺動させることで、被測定面の電位を検出することができる。また清掃モードにより揺動体を停止又は揺動させた状態で振動部を振動させることができる。この振動により、検知窓に付着しているトナー等を振り落とすことができる。これにより、検知窓の面積、すなわち検知電極有効面積が変化せず正確に被測定面の電位を測定できる。また、揺動体と振動部とを1つの駆動手段によって駆動することができるので、その分、電位検知センサを、ひいては画像形成装置を小型化することができる。 According to the present invention, the potential of the surface to be measured can be detected by swinging the swinging body without vibrating the vibrating portion in the detection mode. Further, the vibrating part can be vibrated in a state where the rocking body is stopped or rocked by the cleaning mode. Due to this vibration, the toner or the like adhering to the detection window can be shaken off. Thereby, the area of the detection window, that is, the effective area of the detection electrode does not change, and the potential of the surface to be measured can be accurately measured. In addition, since the oscillating body and the oscillating portion can be driven by a single driving unit, the potential detection sensor and thus the image forming apparatus can be reduced in size accordingly.
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の図面又は異なる図面において同一の符合を付したものは、同様の構成又は同様の作用をなすものであり、これらについては、適宜、重複説明を省略している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, what attached | subjected the same code | symbol in the same drawing or a different drawing performs the same structure or the same effect | action, The duplication description is abbreviate | omitted suitably about these.
<実施の形態1>
図10に、本発明を適用することができる画像形成装置を示す。同図に示す画像形成装置は、電子写真方式のプリンタであり、同図は、このプリンタを正面側、すなわちプリンタの操作時にユーザが位置する側から見た縦断面図に相当する模式図である。
<Embodiment 1>
FIG. 10 shows an image forming apparatus to which the present invention can be applied. The image forming apparatus shown in the figure is an electrophotographic printer, and the figure is a schematic view corresponding to a longitudinal sectional view of the printer as viewed from the front side, that is, from the side where the user is located when operating the printer. .
同図を参照して、プリンタ(以下「画像形成装置」という。)の構成及び動作の概略を説明する。 An outline of the configuration and operation of a printer (hereinafter referred to as “image forming apparatus”) will be described with reference to FIG.
画像形成装置は、像担持体としてドラム形の電子写真感光体(以下「感光ドラム」という。)1を備えている。感光ドラム1の周囲には、その回転方向(矢印R1方向)に沿ってほぼ順に、一次帯電器(帯電手段)2、電位検知センサ(電位検知手段)7、露光装置(露光手段)3、現像装置(現像手段)4が配設されている。さらに、転写ローラ(転写手段)5、クリーニング装置(クリーニング手段)6等が配設されている。 The image forming apparatus includes a drum-shaped electrophotographic photosensitive member (hereinafter referred to as “photosensitive drum”) 1 as an image carrier. Around the photosensitive drum 1, a primary charger (charging means) 2, a potential detection sensor (potential detection means) 7, an exposure device (exposure means) 3, and a developing device are arranged in that order almost along the rotation direction (arrow R1 direction). An apparatus (developing means) 4 is provided. Further, a transfer roller (transfer means) 5, a cleaning device (cleaning means) 6 and the like are provided.
画像形成に際し、感光ドラム1は、ドラム駆動手段(不図示)によって矢印R1方向に所定のプロセススピード(周速度)で回転駆動される。感光ドラム1は、その表面が一次帯電器2によって所定の極性・電位に均一(一様)に帯電される。帯電後の感光ドラム1は、露光装置3によって静電潜像が形成される。露光装置3は、画像情報に基づくレーザビームLを発振する。このレーザビームLは、反射ミラー3aで反射されて、感光ドラム1表面を走査して露光する。感光ドラム1表面は、露光部分の電荷が除去されて静電潜像が形成される。この静電潜像は、現像装置4の現像スリーブ4aによってトナーが付着され、トナー像として現像される。
During image formation, the photosensitive drum 1 is rotationally driven at a predetermined process speed (circumferential speed) in the direction of arrow R1 by a drum driving unit (not shown). The surface of the photosensitive drum 1 is uniformly (uniformly) charged to a predetermined polarity and potential by the primary charger 2. An electrostatic latent image is formed on the photosensitive drum 1 after charging by the
こうして感光ドラム1上に形成されたトナー像は、感光ドラム1と転写ローラ5との間の転写部に対して矢印Kp方向から供給される紙等の記録材Pに、転写ローラ5によって転写される。トナー像転写後の感光ドラム1は、表面に残ったトナー(転写残トナー)がクリーニング装置6のクリーニングブレード6aによって除去され、次の画像形成に供される。一方、トナー像転写後の記録材Pは、定着装置(不図示)に搬送され、ここで加熱・加圧されて表面にトナー像が定着される。トナー像定着後の記録材Pは、画像形成装置本体(不図示)の外部に排出される。以上で、1枚の記録材Pの片面に対する画像形成が終了する。
The toner image thus formed on the photosensitive drum 1 is transferred by the transfer roller 5 to the recording material P such as paper supplied from the direction of the arrow Kp to the transfer portion between the photosensitive drum 1 and the transfer roller 5. The After the toner image is transferred, the toner (transfer residual toner) remaining on the surface of the photosensitive drum 1 is removed by the
図1、図2(a),(b)に本発明を適用することができる電位検知センサ7の概略構成を示す。ここで、図1は、電位検知センサ7の分解斜視図である。また、図2(b)は、電位検知センサ7を図10と同方向から見た縦断面図(感光ドラム1の軸に直交する方向の縦断面図)である。また、図2(a)は電位検知センサ7を図2(b)中の矢印Z方向から見た縦断面図(感光ドラム1の軸を通る平面で切った縦断面図)である。 1, 2 (a), and (b) show a schematic configuration of a potential detection sensor 7 to which the present invention can be applied. Here, FIG. 1 is an exploded perspective view of the potential detection sensor 7. FIG. 2B is a longitudinal sectional view (longitudinal sectional view in a direction perpendicular to the axis of the photosensitive drum 1) of the potential detection sensor 7 viewed from the same direction as FIG. 2A is a longitudinal sectional view (a longitudinal sectional view cut along a plane passing through the axis of the photosensitive drum 1) of the potential detection sensor 7 as viewed from the direction of the arrow Z in FIG. 2B.
これらの図に示すように、電位検知センサ7は、支持基板11と、遮蔽部材12と、センサハウジング13と、駆動手段としての圧電素子14とを備えている。電位検知センサ7全体は、支持部材15を介して画像形成装置本体(不図示)に取り付けられている。
As shown in these drawings, the potential detection sensor 7 includes a
図3に支持基板11の詳細を示す。支持基板11は、ほぼ長方形状の枠部11dと、揺動体11aと、捩じりばね部11b,11bとを有している。枠部11dのほぼ中央には、長方形状の窓部11cが形成されている。この窓部11cには、これよりも少し小さい長方形状の揺動体11aが配設されている。そして、揺動体11aと上述の枠部11dとは、2本の捩じりばね部11b,11bによって連結されている。上述bの枠部11d、窓部11c、揺動体11a、捩じりばね部11b,11bは、1つの中心線X−Xを基準として線対称に形成されている。上述の捩じりばね部11b,11bは、捩じりばねとして作用する。すなわち、捩じりばね部11b,11bは、揺動体11aを枠部11dに対し揺動自在に支持するものである。
FIG. 3 shows details of the
揺動体11aの一方の表面、すなわち感光ドラム1に対面する側の面には、2個の同一形状の平板状の検知電極21,22が同じく中心線X−Xに対して線対称に配置されている。検知電極21,22は、捩じりばね部11bの上に形成された電極配線23,24によって、支持基板11上に形成された取り出し電極25,26とそれぞれ接続されている。取り出し電極25,26は、配線27,28によって、支持基板11外部に設置された差動増幅器30の反転入力接点31と非反転入力接点32に接続されている。
On one surface of the
遮蔽部材12は、図1に示すように、ほぼ中央に検知窓12aが穿設されている。この検知窓12aは、上述の支持基板11の揺動体11aよりも少し小さい長方形状に形成されていて、揺動体11aに対応する位置に配置されている。遮蔽部材12には、この検知窓12aを囲むように「コ字」形のスリット12cが形成されている。遮蔽部材12における、スリット12cに囲まれた部分は、板状の振動部12bとなる。
As shown in FIG. 1, the shielding
センサハウジング13は、直方体状の箱形に形成されていて、感光ドラム1に対向する側に開口部を有している。この開口部には、図2(a),(b)に示すように、外側に上述の遮蔽部材12が配設され、内側に装着治具16,16を介して上述の支持基板11が配設されている。これら遮蔽部材12と支持基板11とは、前者の振動部12bや、後者の揺動体11aが振動したり、揺動したりした場合であっても、両者が接触しない程度の間隔を隔てて配設されている。
The
駆動手段としての圧電素子14は、センサハウジング13の、遮蔽部材12とは反対側に配設されている。この圧電素子14が振動すると、この振動がハウジング13を介して遮蔽部材12に、また装着治具16,16を介して支持基板11に伝達されるようになっている。
The
図3のY−Y線矢視図である図4は、図1,図2で示した電位検知センサ7を被測定物としての測定対象の表面S(以下単に「測定対象S」という。)に対向させて配置した状態を表している。測定対象Sは、例えば、本実施の形態では、感光ドラム1の表面であり、この感光ドラム1は、図の左右方向に延びる軸、又は紙面垂直方向に延びる軸の回りに回転する。揺動体11aは、これと対向する測定対象Sが実質的に平面的である場合には、中立の位置(後述の図5(a)に示す位置)においてこれとほぼ平行になるように配置されている。図4において、支持基板11aや検知電極21,22等は、不要な電気力線を遮蔽するために設けられた前述のセンサハウジング13内に収納されている。センサハウジング13は、導電性の材料で形成され、アースされている。揺動体11aを支える支持基板11は、適切な装着治具16,16によって、センサハウジング13に固定されている。このアースされたセンサハウジング13の存在により、揺動体11aとほぼ真正面で対向する測定対象Sからのみ電気力線が遮蔽部材12の検知窓12aを通過して検知電極21,22に達する。つまり、雑音成分を抑制することができる。このため、精度の高い電位測定が可能となる。
FIG. 4, which is a view taken along the line YY in FIG. 3, shows the surface S of the measuring object (hereinafter simply referred to as “measuring object S”) using the potential detection sensor 7 shown in FIGS. The state arrange | positioned facing is shown. The measurement object S is, for example, the surface of the photosensitive drum 1 in the present embodiment, and the photosensitive drum 1 rotates around an axis extending in the horizontal direction in the drawing or an axis extending in the direction perpendicular to the paper surface. When the measuring object S opposed to the
この電位検知センサ7は、揺動体11aと捩じりばね部11b,11bの形状、材料などを適切に選び、圧電素子14によって振動を加えることで、揺動体11aを捩じりばね部11b,11bの中心軸線Cを揺動中心として周期的に揺動させることができる。
The potential detection sensor 7 appropriately selects the shape, material, and the like of the
図5(a),(b),(c)は、揺動体11aが揺動しているようすを、図3中のY−Y線矢視方向から見た図である。図5(a)は、揺動体11aが静止状態あるいは揺動中に静止状態と同じ位置に達したときの状態(以下この状態を「中立状態」という。)を示す。ここで、検知電極21,22と測定対象Sとの距離をX0、揺動体11aの中心軸線Cから、中心軸線Cに直交する方向の検知電極21,22の長さの中央点E,Fまでの距離をそれぞれL1,L2とする。
FIGS. 5A, 5B, and 5C are views of the
図5(b)は、揺動体11aが揺動し、検知電極21と測定対象Sまでの距離が最も大きくなった状態を表している。このとき、揺動体11aは図5(a)の中立の状態から左回りに角度θ1だけ傾いている。図5(b)の状態においては検知電極21の中央点Eと測定対象Sの距離X1maxは、
X1max=X0+L1・sin(θ1)……(4)
で示される。
FIG. 5B shows a state in which the
X1max = X0 + L1 · sin (θ1) (4)
Indicated by
また、この状態において、検知電極22の中央点Fと測定対象Sの最も小さくなった距離X2minは、
X2min=X0−L2・sin(θ1)……(5)
で示される。
In this state, the smallest distance X2min between the center point F of the
X2min = X0−L2 · sin (θ1) (5)
Indicated by
他方、図5(c)は、揺動体11aの揺動の状態が変化して検知電極21と測定対象Sの距離が最も小さくなった状態である。このとき、揺動体11aが図5(a)の中立の状態から右回りに角度θ2傾いたとすると、測定対象Sと検知電極21の中央点Eの距離X1minは、
X1min=X0−L1・sin(θ2)……(6)
で示される。
On the other hand, FIG. 5C shows a state in which the swinging state of the swinging
X1min = X0−L1 · sin (θ2) (6)
Indicated by
この状態において、検知電極22の中央点Fと測定対象Sの最も大きくなった距離X2maxは、
X2max=X0+L2・sin(θ2)……(7)
で示される。
In this state, the largest distance X2max between the center point F of the
X2max = X0 + L2 · sin (θ2) (7)
Indicated by
本実施の形態では、揺動体11a及び検知電極21,22は、中心軸線Cに対して対称な構造であるため、L1=L2、θ1=θ2とすることが可能である。したがって、
X1max=X2max、X1min=X2min……(8)
が成り立つ。
In the present embodiment, the
X1max = X2max, X1min = X2min (8)
Holds.
揺動体11aは正弦波的に揺動することができ、このとき角周波数ωで揺動しているとすると、
ΔX=L1・sin(θ1)とおいたときに、検知電極21の中央点Eと測定対象表面Sとの任意の時刻tでの距離X1(t)は、
X1(t)=X0+ΔX・sin(ω・t)……(9)
で示される。
The
When ΔX = L1 · sin (θ1), the distance X1 (t) between the center point E of the
X1 (t) = X0 + ΔX · sin (ω · t) (9)
Indicated by
一方、検知電極22の中央点Fと測定対象Sとの任意の時刻tでの距離X2(t)は、
X2(t)=X0+ΔX・sin(ω・t+π)
=X0−ΔX・sin(ω・t)・・・(10)
で示される。ここで、πは位相遅れをラジアンの単位で示したもので180°と同等である。
On the other hand, the distance X2 (t) at an arbitrary time t between the center point F of the
X2 (t) = X0 + ΔX · sin (ω · t + π)
= X0−ΔX · sin (ω · t) (10)
Indicated by Here, π represents the phase delay in radians and is equivalent to 180 °.
次に、上述の電位検知センサ7を使用した、電位測定方法、つまり検知モードにおける電位検知センサ7の動作について説明する。 Next, a potential measurement method using the potential detection sensor 7 described above, that is, an operation of the potential detection sensor 7 in the detection mode will be described.
ここまでに説明したように、揺動体11aが正弦波的に揺動運動を行うことで、揺動体11a上に設置した検知電極21,22の中央点E,Fと揺動体11aに対向設置した測定対象Sとの距離は、式(9),(10)で示したように周期的に変化する。本実施の形態では、揺動体11a及び検知電極21,22は中心軸線Cに対して対称な構造をなしている。したがって、測定対象Sと検知電極21間の距離を測定対象Sから中央点Eまでの距離X1(t)で代表させ、同様に、測定対象Sと検知電極22間の距離を測定対象Sから点Fまでの距離X2(t)で代表させることができる。
As described so far, the
検知電極21と測定対象Sとの間に形成される静電容量をC1(t)、同様に、検知電極22と測定対象Sとの間に形成される静電容量をC2(t)とする。これによると、図3及び図4で示された電位検知センサ7に設けられた2個の検知電極21,22からは、式(3),(9),(10)より、下式で示すことができる2つの出力信号i1(t)とi2(t)を取り出せる。
The capacitance formed between the
i1(t)=d/dt(C1(t)/V)
=d/dt[A・V・S/X1(t)]
=d/dt[A・V・S/(X0+ΔX・sin(ω・t))]……(11)
i2(t)=d/dt(C2(t)/V)
=d/dt[A・V・S/X2(t)]
=d/dt[A・V・S/(X0+ΔX・sin(ω・t+π))]
=d/dt[A・V・S/(X0−ΔX・sin(ω・t))]
=i1(t+π/ω)……(12)
i1 (t) = d / dt (C1 (t) / V)
= D / dt [A · V · S / X1 (t)]
= D / dt [A · V · S / (X0 + ΔX · sin (ω · t))] (11)
i2 (t) = d / dt (C2 (t) / V)
= D / dt [A · V · S / X2 (t)]
= D / dt [A · V · S / (X0 + ΔX · sin (ω · t + π))]
= D / dt [A · V · S / (X0−ΔX · sin (ω · t))]
= I1 (t + π / ω) (12)
ここで、i1(t)は検知電極21と測定対象S間に形成される静電容量により生じる電荷が時間変化することで発生する出力信号電流である。またi2(t)は検知電極22と測定対象S間に形成される静電容量により生じる電荷が時間変化することで発生する出力信号電流である。またSは検知電極21,22の面積Vは測定対象Sの電位、Aは比例定数で式(2)で用いられた比例定数Aと同じものである。
Here, i1 (t) is an output signal current generated by the time change of the charge generated by the capacitance formed between the
したがって、揺動体11aを角周波数ωで正弦波的に揺動させることで、測定対象Sと揺動体11a上の検知電極21,22間の静電容量C1,C2を正弦波的に変化させる。これにり、測定対象Sの表面電位Vの情報を含み位相がπ(=180°)異なる信号電流i1(t),i2(t)を独立に取り出すことができ、表面電位Vを検出することができる。
Therefore, by oscillating the
前述の電位検知センサから取り出した信号電流i1(t),i2(t)の処理方法について説明する。 A method for processing the signal currents i1 (t) and i2 (t) extracted from the above-described potential detection sensor will be described.
式(11)及び式(12)から、周波数f(ω=2・π・f)で揺動体11aを揺動させることで、検知電極21,22から、i1ω(t)とi2ω(t)=i1ω(t+π/ω)の信号電流を独立に取り出せる。前述の式(1)に示された電荷量Qは一般に非常に微小の物理量であり、その時間微分で表される出力信号電流iも微小である。
From the equations (11) and (12), by oscillating the
したがって、信号電流i1ω(t)とi2ω(t)も微小な信号である。しかし、これらの信号は上述の関係にあって、信号電流i2ω(t)は、i1ω(t)の位相が180°(π)(これは時間的にはπ/ω=1/(2f))で表わされるように周期の2分の1)シフトしたものと同等である。このような信号を処理するには差動増幅装置と呼ばれる検出回路が好適であり、i1ω(t)とi2ω(t)を差動増幅器で処理することで、出力信号の大きさを2倍にし、なおかつ両検知電極21,22に影響を与える雑音を取り除くことができる。
Therefore, the signal currents i1ω (t) and i2ω (t) are also minute signals. However, these signals are in the above relationship, and the signal current i2ω (t) has a phase of i1ω (t) of 180 ° (π) (this is π / ω = 1 / (2f) in terms of time). It is equivalent to one that is shifted by a half of the period as represented by In order to process such a signal, a detection circuit called a differential amplifier is suitable. By processing i1ω (t) and i2ω (t) with a differential amplifier, the magnitude of the output signal is doubled. In addition, noise that affects both
次に、電位検知センサ7内の揺動体11aを駆動するための方法について説明する。
Next, a method for driving the
図6は、この電位検知センサ7内の揺動体11aを揺動するための機構を説明するものである。揺動体11aを有する支持基板11は、装着治具16,16を介して圧電素子14に取り付けられている。そして、圧電素子14上には駆動電源用の電極41,42が形成されており、これらは駆動用電源43と接続されている。
FIG. 6 illustrates a mechanism for oscillating the
揺動体11aは、図5で示す運動をする際は、その構造に対応した共振周波数fcと呼ばれる周波数で揺動(振動)させる。これは、一般に、揺動体11aの振動の固有モードと呼ばれる。駆動用電源43により、電極41,42を介してfcと等しい周波数の駆動信号を圧電素子14に与えることで、圧電素子14上のセンサハウジング13に収められた揺動体11aと支持基板11に周波数fcの振動を与えることができる。このとき、揺動体11aの固有振動モードは、圧電素子14による周波数fcの振動と結合し、共振周波数fcで振動する。この結果、図6で示す駆動機構を用いて、揺動体11aをその共振周波数fcで揺動させることが可能となる。
When the
次に、本実施の形態における支持基板11の製造方法について説明する。
Next, the manufacturing method of the
図3で示す電位検知センサ7の構造は、マイクロマシン技術を用いてシリコン基板を加工することで、大量に一括成型することが可能である。具体的には、ドライエッチング技術等の加工技術を用いて、シリコン基板に、基板を貫通したスリット11c1,11c2を容易に形成することができる。この際、加工後に残された部分が、支持基板11の枠部11d、捩じりばね部11b、揺動体11aとなる。
The structure of the potential detection sensor 7 shown in FIG. 3 can be batch-molded in large quantities by processing a silicon substrate using micromachine technology. Specifically, the slits 11c1 and 11c2 penetrating the substrate can be easily formed in the silicon substrate using a processing technique such as a dry etching technique. At this time, the portions left after the processing become the
また、半導体加工技術において一般的に使用される成膜技術を用いることで、支持基板11、捩じりばね部11b、揺動体11aの表面に絶縁薄膜を形成し、さらに検知電極21,22、電極配線23,24も形成し得る。
Further, by using a film forming technique generally used in the semiconductor processing technique, an insulating thin film is formed on the surfaces of the
この結果、前述の各部分を構成する基板11の枠部11dと捩じりばね部11bと揺動体11a、そして検知電極21,22と電極配線23,24は、組立工程を経ることなく、単一の基板上に形成可能である。さらに、本実施の形態の電位検知センサ7の構造を複数個形成し得る大きさのシリコン基板を用いて、電位検知センサ7を一括して大量に製造することが可能となる。
As a result, the
本実施の形態においては、上述の遮蔽部材12は、振動部12bの周波数が、揺動体11の共振周波数fcとは異なる周波数の振動モードを有する。すでに説明したように揺動体11は圧電素子14による周波数fcの振動と結合し、共振周波数fcで振動する。共振周波数fcは捩じりばね部11bの形状を変えることで、適切な値に設定することができるが、本実施の形態では、共振周波数fcが約20kHzの場合を例にとって説明する。
In the present embodiment, the shielding
一般に固有振動モードでの共振を発生させるためには固有振動数に等しい周波数の振動を与えてやればよく、与える振動の周波数は固有振動数に対し5%程度以内の差であれば共振状態となる。揺動体11aの振動又は圧電素子14の振動で遮蔽部材12の振動部12bが共振しないためには振動部22aの固有振動数が19〜21kHzの範囲になければよい。
In general, in order to generate resonance in the natural vibration mode, it is only necessary to give a vibration having a frequency equal to the natural frequency. If the frequency of the given vibration is within about 5% of the natural frequency, the resonance state Become. In order for the
図11(a),(b),(c)に遮蔽部材12の振動モード(清掃モード)における遮蔽部材12の動作を示す。
FIGS. 11A, 11B, and 11C show the operation of the shielding
遮蔽部材12の材質は、厚さ0.3mmのステンレスのばね材を用いた。遮蔽部材12は、外形が幅8mm×長さ15mm、また検知窓12aの大きさが1.5mm×1.5mmである。スリット12cにより定義される振動部12bの形状は幅4mm(幅)×長さ11.5mmの長方形状となっている。
As the material of the shielding
この場合、1次の振動モードは図11(a)に示すように1500Hzの曲げモード、2次の振動モードは図11(b)に示すように9000Hzの曲げモード、3次の振動モードは図11(c)に示すように9750Hzの捩じれモードである。4次の振動モード(不図示)は17.9kHzの曲げモード、5次の振動モード(不図示)は25.8kHzの曲げモードである。このように19〜21kHzには遮蔽部材12の振動部12bの振動モードがないので、測定時に圧電素子14や揺動体11aが20kHzで振動しても遮蔽部材12の振動部12bが共振することはない。逆に駆動手段である圧電素子14を1500Hz、9000Hz、9750Hzで駆動してやればそれぞれの周波数で遮蔽部材12の振動部12bが共振して曲げ振動や捩じれ振動が励起される。このとき揺動体11aは共振状態にならないので揺動しない。非測定時にこれらの周波数で圧電素子14を駆動することで遮蔽部材12の、検知窓12aを有する振動部12bを振動させて検知窓12aに付着したトナー等をふるい落とすことができる。このとき曲げモードと捩じれモードというように振動モードの異なる複数の周波数で振動部12bを振動させると1つの振動モードではふるい落としにくいものも効果的にふるい落とすことができる。
In this case, the primary vibration mode is a bending mode of 1500 Hz as shown in FIG. 11A, the secondary vibration mode is a bending mode of 9000 Hz as shown in FIG. 11B, and the third vibration mode is a figure. As shown in Fig. 11 (c), the torsional mode is 9750 Hz. The fourth vibration mode (not shown) is a bending mode of 17.9 kHz, and the fifth vibration mode (not shown) is a bending mode of 25.8 kHz. Thus, since there is no vibration mode of the
<実施の形態2>
図7,図8を参照して、本実施の形態の電位検知センサを説明する。ここで、図7は、支持基板11及び支持基板11の揺動体11aを揺動させるための機構を説明する分解斜視図である。また図8は、中心軸線Cに直交する方向の断面を示す図である。
<Embodiment 2>
The potential detection sensor of the present embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 7 is an exploded perspective view for explaining a mechanism for swinging the
上述の実施の形態1では、揺動体14を駆動するための駆動手段として圧電素子14を使用したが、本実施の形態では、異なる構成を採用している。
In the above-described first embodiment, the
本実施の形態では、揺動体11aの2つの表面のうちの、検知電極21,22が形成されていない方の面に硬磁性膜51を形成した。硬磁性膜51は、捩じりばね部11b,11bの中心軸線Cを挟む揺動体11aの両端に異なる磁極N,Sが位置するように成膜されている。また、揺動体11aを支持する支持部11dに対して、測定対象S(不図示)面とは反対の側に、ほぼ平行に平板状の基板50が配置されている。基板50には、支持基板11に設けられた開口部11cとほぼ同じ形状の開口部52が基板50にも設けられており、その周囲に平面状に巻き回された平面コイル53が形成されている。そして、支持基板11はスペーサ54を介して基板50と接合されている。本実施の形態においては、硬磁性膜51、平面コイル53、スペーサ54等によって駆動手段が構成されている。
In the present embodiment, the hard
この構造において、平面コイル53に適切な電流を流すことで、開口部52内に磁場が発生する。この磁場と、揺動体11aに形成された硬磁性膜51の磁極N,Sとの間で生じる吸引力と反発力を利用して、揺動体11aの駆動方向への偶力を発生させることができる。
In this structure, a magnetic field is generated in the
このとき、平面コイル53に流す電流の向きを周期的に変更することで、コイル53によって発生する磁場の方向が逆転し、揺動体11aに生じる偶力の方向が変わり、その結果として、揺動体11aを揺動運動させられる。この際に、振動体12b(図1参照)の持つ共振周波数fcと同一の周波数で平面コイル53に流す電流の方向を変えれば、揺動体11aを共振周波数fcで揺動させ、さらにこの揺動により振動体12bを周波数fcで共振運動させることが可能となる。また共振周波数fc以外の任意の周波数で平面コイル53に流す電流の方向を変えることで揺動体11aを揺動運動させることも可能である。その他の点は前述の圧電素子を用いた実施の形態と同じである。
At this time, by periodically changing the direction of the current flowing in the
本実施の形態の支持基板11についても、その作製方法は、前述の実施の1形態と同様に、揺動体11aを含む構造体をマイクロマシン技術を用いて1枚のシリコン基板から形成することができる。また、1枚のシリコン基板上に複数個の素子を一括形成することもできる。
As for the
さらに、平面コイル53を含む基板50も同様に、1枚のシリコン基板上に複数個の素子を一括形成することが可能である。もちろん、本発明による電位検知センサを作製する方法は、こうしたマイクロマシン半導体加工技術に限られない。
Furthermore, the
図12(a),(b),(c)に、遮蔽部材の他の構成を示す。遮蔽部材61は、検知窓21aを取り囲むようにスリット21c,21dが設けられている。スリット21cは、同図中における遮蔽部材61に左側において上下方向に直線状に形成されている。また、スリット21dは、スリット21cの左側に「コ」字形に形成されている。これらスリット21c,21dの内側が振動部21bとなっている。振動部21bはスリット21cの上下の端部で遮蔽部材61の他の部分と接続されている。
FIGS. 12A, 12B, and 12C show other configurations of the shielding member. The shielding
図12(a),(b),(c)にそれぞれ遮蔽部材61の振動モードを示す。1次の振動モードは図12(a)に示すように1.6kHzの曲げモード、2次の振動モードは図12(b)に示すように10.1kHzの曲げモード、3次の振動モードは図12(c)に示すように10.5kHz捩じれモードである。4次は18.7kHzの曲げモード、5次は29.3kHz曲げの曲げモードとなっている。これらの振動モードの周波数は遮蔽部材12(図1参照)の振動部12aの形状や遮蔽部材61の他の部分との接続形状で適切な周波数に設定することが可能である。
FIGS. 12A, 12B, and 12C show vibration modes of the shielding
図13(a),(b),(c)に、さらに別の遮蔽部材の例を示す。 FIGS. 13A, 13B, and 13C show another example of the shielding member.
遮蔽部材62は、検知窓22aを取り囲むようにスリット22c,22dが設けられており、これらスリット22c,22dの内側が振動部22bとなっている。スリット22cは、振動部22bの上方と下方とにおいて、左右方向に形成されている。振動部22bはスリット22dの上下の端部で遮蔽部材62の他の部分と接続されている。
The shielding
図13(a),(b),(c)に遮蔽部材62の振動モードを示す。
FIGS. 13A, 13B, and 13C show vibration modes of the shielding
1次の振動モードは図13(a)に示すように1000Hzの曲げモード、2次の振動モードは図13(b)に示すように7500Hzの曲げモード、3次の振動モードは図13(c)に示すように8200Hzの捩じれモードである。4次は10.6kHzの曲げモード、5次は22.5kHzの曲げモードとなっている。 The primary vibration mode is a bending mode of 1000 Hz as shown in FIG. 13A, the secondary vibration mode is a bending mode of 7500 Hz as shown in FIG. 13B, and the third vibration mode is FIG. ) Is a torsional mode of 8200 Hz. The fourth order is a 10.6 kHz bending mode, and the fifth order is a 22.5 kHz bending mode.
図11,図12,図13に示すように、振動部12b,21b,22bの形状を変更することで、簡単に共振周波数を変更することができる。
As shown in FIGS. 11, 12, and 13, the resonance frequency can be easily changed by changing the shapes of the vibrating
1 感光ドラム(像担持体)
2 一次帯電器(帯電手段)
3 露光装置(露光手段)
4 現像装置(現像手段)
7 電位検知センサ
11 支持基板
11a 揺動体
12 遮蔽部材
12a 検知窓
12b 振動部
14 圧電素子(駆動手段)
21,22 検知電極
S 被測定面(測定対象の表面,像担持体表面,感光ドラム表面)
1 Photosensitive drum (image carrier)
2 Primary charger (charging means)
3 Exposure equipment (exposure means)
4 Developing device (Developing means)
7
21, 22 Detection electrode S Surface to be measured (surface to be measured, image carrier surface, photosensitive drum surface)
Claims (6)
前記遮蔽部材は、前記検知窓を含む部分に振動する振動部を有し、
前記駆動手段は、印加される周波数に対応して、前記振動部を振動させることなく前記揺動体を揺動させる検知モードと、前記揺動体を停止又は揺動させた状態で前記振動部を振動させる清掃モードとを有する、
ことを特徴とする電位検知センサ。 A swingable swinging body disposed opposite to the surface to be measured, a detection electrode disposed on the surface of the swinging body on the surface to be measured, and a detection disposed between the detection electrode and the surface to be measured A shielding member having a window; and a driving unit configured to swing the rocking body, and detects a potential of the surface to be measured based on a change in a distance between the surface to be measured and the detection electrode due to rocking of the rocking body. In the potential detection sensor,
The shielding member has a vibrating portion that vibrates in a portion including the detection window;
The driving means vibrates the vibration part in a state where the rocking body is stopped or rocked in a detection mode in which the rocking body is swung without vibrating the vibration part in accordance with an applied frequency. Having a cleaning mode,
A potential detection sensor characterized by that.
前記駆動手段は、前記検知モード時には前記揺動体を揺動しうる周波数が印加され、前記清掃モード時には前記振動部を動作しうる周波数が印加される、
ことを特徴とする請求項1に記載の電位検知センサ。 The oscillating body and the vibrating section have natural frequencies that do not cause resonance with each other,
The drive means is applied with a frequency capable of oscillating the oscillating body in the detection mode, and is applied with a frequency capable of operating the oscillating unit in the cleaning mode.
The potential detection sensor according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の電位検知センサ。 The driving means is a piezoelectric element that vibrates in accordance with an applied frequency;
The potential detection sensor according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1に記載の電位検知センサ。 The drive means swings the swinging body at a frequency at which the vibrating part resonates due to swinging of the swinging body in the cleaning mode, and the vibrating part resonates even if the swinging body swings in the detection mode. Rock the rocking body at a frequency that does not
The potential detection sensor according to claim 1.
ことを特徴とする請求項4に記載の電位検知センサ。 The driving means is a driving means for magnetically driving the oscillator;
The potential detection sensor according to claim 4.
帯電後の前記像担持体表面の電位を検知する電位検知手段を備え、
前記電位検知手段が、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電位検知センサである、
ことを特徴とする画像形成装置。
A charging unit that charges the surface of the image carrier as the measurement surface, an exposure unit that exposes the charged image carrier surface to form an electrostatic latent image, and a development that develops the electrostatic latent image as a toner image An image forming apparatus comprising:
Comprising a potential detecting means for detecting the potential of the surface of the image carrier after charging;
The potential detection means is the potential detection sensor according to any one of claims 1 to 5.
An image forming apparatus.
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