JP2007163326A - 電位測定装置、及び電位測定装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容量変化手段の振動周波数が高い場合においても、検知電極と支持基板間の寄生容量による出力信号減少を殆ど発生させることなく、或いは抑制して、検知信号を取り出すことができる電位測定装置を提供する。
【解決手段】電位測定装置は、測定対象と検知電極１０１との間の静電容量を変化させることによって検知電極１０１に静電誘導される電荷量を検出する。検知電極１０１は、検知電極１０１の測定対象と対向する面と反対側の面の少なくとも一部が露出する様に支持基板１０３に固定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電位測定装置、電位測定装置の製造方法、及び電位測定装置を用いた画像形成装置などの装置に関する。

例えば、感光体を用いた電子写真式の画像形成装置において、高画質な画像を形成する場合には、電位測定装置により、感光体の電位を測定しながら画像形成装置を制御する必要がある。電位測定装置としては、帯電している感光体に検知電極を近接させ、感光体と検知電極間の容量を変化させ、静電誘導により検知電極に誘導される微小な電荷を測定する例がある。

図１２に、電位測定装置の概念的な構成図を示す。図１２において、８０１は測定対象、８０２は容量変化手段、８０３は電荷検出手段である。容量を変化させる容量変化手段８０２としては、測定対象８０１から検知電極７０１に入射する電気力線を周期的に変化させる方法を採用するものや、検知電極７０１を周期的に移動させる方法を採用するものなどがある。前者の例としては、測定対象（感光体）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例がある。そして、これにより測定対象から検知電極上に到達する電位力線を周期的に遮り、測定面から見た実効的な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を変化させる（特許文献１参照）。

また、測定対象と対向する位置に開口部を有した金属のシールド材を配置し、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る例もある。そして、検知電極の位置が該開口部直下で平行に移動することで、検知電極に達する電位力線の数を変化させ、静電容量を変化させる（特許文献２参照）。

後者の例としては、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を周期的に変化させ、静電容量を変化させる構成がある（特許文献３参照）。
米国特許第4,720,682号公報 米国特許第3,852,667号公報 米国特許第4,763,078号公報

電位測定装置における検知電極に静電誘導される微小な電荷をＱとすると、
Ｑ＝ＣＶ・・・式（１）
で表すことができる（Ｃ：測定対象と検知電極間の実効容量、Ｖ：測定対象の電位）。測定対象（感光体など）と検知電極が形成する静電容量Ｃは、機械振動などにより周期的に変化するため、次の式で表すことができる（Ｃ_Ｏ：静電容量の変化係数）。
Ｃ＝Ｃ_Ｏ・ｓｉｎ（ω・ｔ）・・・式（２）
これらの式から、検知電極に誘導される微小な電荷Ｑが微小電流Ｉとして取り出されるとすると、次の式で表すことができる（ここで、ｆ：振動周波数）。
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ
＝ω・Ｃ_Ｏ・Ｖ・ｃｏｓ（ω・ｔ）
＝２π・ｆ・Ｃ_Ｏ・Ｖ・ｃｏｓ（ω・ｔ）・・・式（３）
式（３）から、電位測定装置からの検出信号は、静電容量の変化係数Ｃ_Ｏと振動周波数ｆにより決定されることが分かる。尚、容量変化手段としては、機械的な振動を利用する構造のものの他に、ヒータなどを用いて検知電極周辺の空気や誘電体の温度を周期的に変化させて、測定対象表面と検知電極との間の誘電率を周期的に変化させる構成のものなどがある。従って、測定対象面と検知電極間の静電容量が変化する態様を表現する言葉としては、例えば、振動周波数ないし変化周波数とでも言うべきであるが、本明細書では単に振動周波数と言う。

一方、半導体プロセスを応用したマイクロマシーニング技術と呼ばれる微細な機械加工技術を用いて、電位測定装置を作製することにより、電位測定装置の振動周波数を飛躍的に向上させる（例えば、数十kHz）ことができる。そのため、大きな出力信号の電位測定装置を実現できる可能性がある。しかし、マイクロマシーニング技術によく用いられる半導体基板や導体基板を検知電極の支持基板として用いた場合、検知電極と支持基板間の寄生容量（以下では、浮遊容量とも言う）が発生し、この寄生容量による出力信号減少が考えられる。

図１１に、検知電極−支持基板間に発生する寄生容量を説明する模式図を示す。図１１（ａ）は平面を示す模式図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の破線Ｄでの断面の模式図である。図１１において、７０１は検知電極、７０２は絶縁膜、７０３は支持基板である。支持基板７０３の片面上に絶縁膜７０２が形成されており、検知電極７０１は、絶縁膜７０２上に形成されて支持基板７０３から直流的には絶縁されている。

ここにおいて、検知電極７０１と支持基板７０３間には、寄生容量が存在する。一般的に平行平板コンデンサの容量Ｃ_Ｐは、次の式で表すことができる（ε_Ｐ：誘電率、Ｓ_Ｐ：コンデンサの面積、ｄ_Ｐ：コンデンサの距離）。
Ｃ_Ｐ＝ε_ＰＳ_Ｐ／ｄ_Ｐ・・・式(４)
検知電極７０１と支持基板７０３間の寄生容量は、平行平板コンデンサと同じと見なすことができるとすると、寄生容量は絶縁膜７０２の誘電率、検知電極７０１の面積、検知電極７０１−支持基板７０３間の距離で決まる。

絶縁膜７０２の誘電率は成膜する条件によっても変化するが、絶縁膜７０２に用いる材料によってほぼ一意に決まる。一例として、シリコン窒化膜で比誘電率が７程度、シリコン酸化膜で３．９程度である。検知電極７０１の面積は、式（２）の静電容量の変化係数Ｃ_Ｏに比例するため、出力信号の観点から一意に設定される。また、検知電極７０１−支持基板７０３間の距離は、半導体プロセス（マイクロマシーニング技術）を用いて成膜する絶縁膜７０２の厚さにより決まる。絶縁膜７０２の厚さは、絶縁膜の成膜法や成膜時間で変化させることができるが、半導体プロセスを用いるため、生産の現実性を考えると、薄い厚さしか実現することができない。

そのため、マイクロマシーニング技術を利用して作製した電位測定装置では、絶縁膜が薄いために検知電極−支持基板間の寄生容量が大きくなる。この寄生容量によって、出力信号が低下するのである。この出力信号の低下は、振動周波数が高くなると共に大きくなる。そのため、マイクロマシーニング技術を利用して作製し振動周波数を向上させた電位測定装置などにおいては、式（３）での振動周波数fによる出力信号の増加分を打ち消してしまい、そのままでは高性能な電位測定装置を実現することができない。

以上に説明した様に、従来の容量変化検出型の電位測定装置等に用いられる検知電極は絶縁体膜等の上に形成されるため、その電極を保持する基板と検知電極の間に比較的大きな浮遊容量を形成していた。従って、上記の如き従来の電位測定装置において高速変調すると浮遊容量を通して出力信号の漏れが大きくなる。こうして、浮遊容量は検知しようとする信号を小さくし、オフセットを発生させる原因となり、Ｓ／Ｎが低下する。このことは、検出回路に負担が生じ、電位測定装置の大型化、コストアップの原因ともなっている。

上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、測定対象と検知電極との間の静電容量を変化させることによって前記検知電極に静電誘導される電荷量を検出する電位測定装置である。そして、前記検知電極は、検知電極の前記測定対象と対向する面と反対側の面の少なくとも一部が露出する様に支持基板に固定されることを特徴とする。或いは、前記検知電極は、前記支持基板に固定され、該検知電極の前記測定対象と対向する面と反対側の面に接する様に空隙を有することを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置の製造方法は、シリコン基板上の検知電極を形成する領域の少なくとも一部に凹部又は貫通孔を形成する第１の工程と、該凹部又は貫通孔の周囲の少なくとも一部に絶縁膜を形成する第２の工程と、前記凹部又は貫通孔の少なくとも一部を覆うように該絶縁膜上に電極を形成する第３の工程とを含む。或いは、本発明の電位測定装置の製造方法は、シリコン基板上の検知電極を形成する領域の少なくとも一部を陽極化成により多孔質化する第１の工程と、該多孔質化した領域の周囲の少なくとも一部に絶縁膜を形成する第２の工程と、前記多孔質化した領域の少なくとも一部を覆うように該絶縁膜上に電極を形成する第３の工程と、前記多孔質シリコンを除去する第４の工程とを含む。

また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、上記電位測定装置と画像形成手段を備え、電位測定装置の検知電極が画像形成手段の電位測定対象と対向して配置され、画像形成手段が電位測定装置の信号検出結果を用いて画像形成の制御を行う。

本発明の電位測定装置によれば、たとえ容量変化手段の振動周波数が高い場合においても、検知電極と支持基板間の寄生容量による出力信号減少を殆ど発生させることなく、或いは抑制して、検知信号を取り出すことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明では、検知電極と支持基板間での寄生容量による出力信号の減少が殆どないか抑制された電位測定装置を実現するために、検知電極とそれを保持する支持基板の構造に着目する。具体的には、検知電極は、測定対象と対向する面と反対側の検知電極の面の少なくとも一部が露出する様に支持基板に固定される。そして、検知電極と支持基板とは絶縁性を保った状態で固定される。この場合、下記の様に絶縁膜を介して検知電極を支持基板で支持することもできるが、支持基板自体が絶縁体であったり或いは支持基板の支持部が絶縁化されているときは検知電極を直接支持基板で支持することもできる。

図１は、本実施形態に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する電極面から見た平面図である。図２は図１のＡ部分での断面図であり、図３は図１のＢ部分での断面図である。これらの図において、１０１は検知電極、１０２は絶縁膜（絶縁体）、１０３は支持基板、１０４は検出回路に繋がる配線である。絶縁膜１０２は、検知電極１０１を支持するための絶縁体であり、電極１０１の裏部分（測定対象と対向する面と反対側の面）には絶縁体がない構造を有する。本実施形態において、支持基板１０３は、電極１０１全体を保持するシリコン基板（Ｓｉ構造体）であり、検出回路的にはグランドにあたる。このグランドにあたるシリコン基板１０３と検知電極１０１との間の静電容量を出来るだけ小さくする様に、シリコン基板１０３の形と検知電極１０１の形と絶縁体１０２の形を決める。

シリコン基板１０３は、絶縁体１０２を支持するための構造を有し、絶縁体１０２の４隅部分を支持する部分以外では、検知電極１０１と絶縁体１０２との間に空隙を有する。この様に、シリコン基板１０３は、検知電極１０１との間に空隙を有し、電極１０１を支持できて且つ絶縁体１０２を出来るだけ小さくする様な構造を有する。

以上の様な構造により、本実施形態は、検知電極１０１と支持基板であるシリコン基板１０３との間で不可避的に形成される浮遊容量を効果的に抑制する。即ち、検知電極１０１とシリコン構造体１０３との間に所定の間隙を設けることによって、検知電極１０１とシリコン構造体１０３との間に形成される浮遊容量（静電容量）を軽減している。

更に詳細に説明する。本実施形態においては、上記浮遊容量を軽減するに際して、特に以下の３点に着目して電位測定装置を設計している。

まず１点目は、図１に示す様に、検知電極１０１の各辺（四角形の４辺）とその周囲のシリコン構造体１０３との間に間隙を設けることである。図１の例では、シリコン構造体１０３に形成した空隙部分（貫通孔の場合もある）の形状を、内側に張り出した支持部を４隅部分に有する４角形（厳密には１２角形）とし、絶縁体１０２を４つの支持部で支持している。この様な構造とすることで、検知電極１０１とその周囲のシリコン構造体１０３との間隙を確保できる。また、図１及び図３に示す様に、絶縁体１０２とシリコン構造体１０３との間にも間隙を設ける理由は、この様な構成とすることにより、後述する製造方法における多孔質体を効率良くエッチング等で除去できるからである。

勿論、検知電極１０１及び絶縁体１０２を支持、固定する構造は図１の構成に限定されない。例えば、絶縁体１０２の任意の１辺乃至４辺をシリコン構造体１０３で支持、固定することも可能である。設計強度が確保されるのであれば、絶縁体１０２の各辺の少なくとも一部が支持、固定されていれば良い。

次に２点目として、既に述べた様に、検知電極１０１の裏面（測定対象面と対向する面と反対側の面）と、これと対向するシリコン構造体１０３との間に間隙を設けることである。図３に示す様に、検知電極１０１の裏面と対向するシリコン構造体１０３には、凹部が形成されている。この様に、検知電極１０１の裏面と、これと対向するシリコン構造体１０３との間の距離を大きくすることで、検知電極１０１とシリコン構造体１０３との間に形成される浮遊容量（静電容量）を軽減できる。この距離については、軽減させる浮遊容量と電位測定装置の全体の大きさとの関係を考慮して、適宜最適な距離を選択すれば良い。図３においては、シリコン構造体１０３に凹部を設ける例が示されているが、貫通孔としても良い。但し、貫通孔とする場合には、シリコン構造体１０３の強度が低下し、動的な動作をさせるとねじれ等で破壊限界が低くなる場合もあり得るため、強度を考慮して設計する必要がある。

３点目として、既に述べた様に、検知電極１０１の裏面の少なくとも一部分が露出した状態で、検知電極１０１がシリコン構造体１０３に固定される点である。検知電極１０１を固定する際に、検知電極１０１の裏面全面を絶縁体１０２によって支持すると検知電極１０１とシリコン構造体１０３との間に形成される浮遊容量が本実施形態よりは増加する。検知電極１０１の裏面全面と接触した絶縁体１０２が、一種のコンデンサの静電容量増加材として機能するからである。従って、検知電極１０１の裏面は、少なくとも一部が露出する構成、最適には検知電極１０１を絶縁体１０２で支持する領域を除いて全面が露出する構成とすることが好ましい。この際、検知電極の設計にもよるが、減少させる浮遊容量と検知電極（電位測定装置）の機械的強度とのバランスを考慮して設計することが好ましい。例えば、絶縁体１０２にスリット状、メッシュ状、或いはパンチングボード状に開口部を設けることで検知電極１０１を露出させることも可能である。

上記検知電極１０１には、検知電極１０１に静電誘導される電荷量を検知する検出手段として、電流−電圧変換を行う初段増幅部（不図示）が接続されている。また、検知電極１０１には、機械的な振動などにより測定対象面と検知電極間の静電容量を変化させる容量変化手段（後述）により、測定対象の電位に対応した電荷が静電誘導される。この際に誘導される電荷は、上記初段増幅部の内部抵抗等を介して供給される。

検知電極１０１を上記検出手段に接続する配線１０４は図１に示されているが、図５は、配線１０４の別の例を示す。図１の配線１０４に対して、図５の配線１０４は、検知電極１０１の部分と同じ空隙を含む構造とし、更に浮遊容量を減らす構造を有する。一般に配線１０４は、線幅が小さくグランド部分（支持基板）１０３との静電容量は小さいが、配線抵抗を減らす目的で線幅を広げるなどした場合は無視できなくなる。その場合に本形態が効果を有する。

図５のＣ部分での断面図を図６に示す。配線１０４とＳｉ構造体（グランド部分）１０３との間に空隙が形成され、Ｓｉ構造体１０３に支持された絶縁体１０２は、配線１０４が支持できて且つ絶縁体１０２が出来るだけ小さくなる様な構造となっている。

ところで、図１に示す構造は、図４に示す様に、密閉容器１０５に封入し、空間１０６を低圧若しくは真空近くにして気体分子を減らした形態にもできる。空間１０６には、空気、窒素、アルゴンなどの気体を封入することもできる。これにより、更に浮遊容量を減らすことができる。

以上の構造では、検知電極１０１と支持基板１０３は、比誘電率が１の空気などにより絶縁されており、且つこれらの間の距離は薄膜の絶縁膜１０２の厚さに比べて桁違いに大きくすることができる。そのため、寄生する容量は、図１１の構造に比べて極端に小さいものとなる。

電位測定装置は、数ｍｍ以上という或る距離を持った測定対象（感光体など）と検知電極１０１間の容量の変化により出力信号を得るので、検知電極１０１に静電誘導される電荷は微小なものとなる。従って、検出される微小電流の変化を電圧信号に変換する必要がある。そのために、検知電極１０１に接続された電流−電圧変換を行う初段増幅部は、１０の６乗以上の高ゲインの電流−電圧変換（Ａ／Ｖ）などを行う。

次に、本実施形態の電位測定装置の製造方法について説明する。本実施形態の電位測定装置の製造は、フォトリソグラフィー等、適宜ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を利用して行うことができる。

製造方法の一例においては、まずシリコン基板（シリコン構造体）の所定の領域に凹部又は貫通孔（中空構造）を形成する。次いで、こうした中空構造を形成したシリコン基板上の検知電極を固定する領域上に、中空構造の少なくとも一部上を除いて、絶縁膜を形成する。そして、この絶縁膜上に検知電極を形成する。絶縁膜を形成することによって、検知電極とシリコン基板とを電気的に絶縁した状態で固定することができる。この際、検知電極は、その裏面の少なくとも一部が露出された状態で固定される。

上記の様にして本実施形態の電位測定装置を製造することが可能であるが、更に低コストで精度良く製造する方法として以下の方法が挙げられる。図７を用いて説明する。

図７（a）において、２０１は、基板となる非多孔質シリコンであり、２０２は多孔質体（ポーラスシリコン）である。フォトリソグラフィーによりシリコン基板２０１の非加工領域をレジスト等でマスキングする。そして、陽極化成よってシリコン基板２０１上の検知電極を設ける所定の領域に３次元形状の多孔質体２０２を形成する。この所定の領域とは、多孔質体２０２形成後に検知電極を固定する領域である。

次に、図７（b）に示す様に、絶縁膜として、例えば、酸化膜を成膜し、フォトリソグラフィーによってシリコン基板２０１にかかる部分を残す様に酸化膜２０３を形成する。更に、図７（c）において、電極となる金属を成膜し、フォトリソグラフィーによって酸化膜２０３と多孔質体２０２にかかり、検知電極となる様に金属電極２０４を形成する。

最後に、図７（d）に示す様に、ポーラスシリコン部分を除去するためにアルカリ系エッチング液水酸化カリウム、または酸系エッチング液フッ硝酸によってポーラスシリコン２０２を除去し空隙２０５を形成する。このとき、ポーラスシリコンとシリコンの選択比は１００以上と大きいため、基板となるシリコン２０１に影響が少ないうちにポラーラスシリコン２０２を除去することができる。また、支持に使う酸化膜２０３への影響も小さい。但し、エッチングの影響が懸念される場合には、前記絶縁膜及び電極の材質、厚さ等を適宜最適化しておくことが望ましい。

以上の様に、シリコン基板の所定の領域を陽極化成により多孔質化し、多孔質領域を設けたシリコン基板上の検知電極を固定する領域上（多孔質領域の一部は除く）に絶縁膜を形成する。そして、絶縁膜上に検知電極を形成する。絶縁膜を形成することによって検知電極とシリコン基板とを電気的に絶縁した状態で固定できる。ここで、検知電極を形成する際に、検知電極の大きさを前記多孔質領域の大きさよりも小さくすることで、検知電極と周囲のシリコン基板との間の隙間を形成することができる。そして更に、多孔質シリコンをエッチングにより除去して、多孔質領域を凹部又は貫通孔（中空構造）とする（図７の例では凹部である）。エッチングにより前記多孔質領域を除去する際に、前記検知電極と周囲のシリコン基板との間の隙間は、エッチャントの導入口として機能するため効率良く多孔質層をエッチング除去することができる。こうした製造方法を用いる理由は以下の効果を得るためである。

即ち、まず多孔質領域の大きさ、深さを調整することによって、多孔質領域を除去した後の凹部又は貫通孔（中空構造）の大きさ、深さを所望の値とすることができる。特に、多孔質領域を形成することにより、多孔質領域を形成しない場合と比較して、容易に深い凹部又は貫通孔（中空構造）を形成することができる。例えば、単にエッチングにより凹部を形成する場合でも、バルクのシリコン基板表面上に酸化膜を形成しておいて、電極形成後、フッ酸でエッチングすることでも或る程度の凹部を形成することは可能である。しかし、この方法では酸化膜の厚さが１ミクロン程度しか得られないため、凹部の深さも１ミクロン程度になる。本方法では多孔質領域の厚さが自由に設定できるため、１０ミクロン以上の凹部又は貫通孔とすることができ、浮遊容量を減らす効果をより大きくできる。

次に、絶縁膜形成時及び検知電極形成時のシリコン基板のハンドリングを容易にすることができる。シリコン基板上に凹部や貫通孔が存在すると、表面凹凸の影響があるためや、加工部が微小となるために、半導体プロセスなどで絶縁膜或いは検知電極を精度良く形成することが、凹部や貫通孔がない場合と比較して困難になる。また、シリコン基板の加工時の振動等に対する強度も不足する場合があり、加工工程が不安定になる場合がある。更に、一般的なＭＥＭＳの方法では裏を刳り貫くことは容易であるが、基板の強度が落ちてしまい、動的な動作をさせるとねじれ等で破壊限界が低い。これに対して、多孔質領域が存在すると、これらの問題がなくなり、安定して精度良く加工することが可能になる。

特に本実施形態の電位測定装置は、その大きさが高々数１００ミクロン、膜厚数十ミクロン程度であるため、個々の部品の扱いに注意を要する為、各製造工程でのハンドリングは重要である。個別に形成して空隙に載せる方法も考えられるが、ここで考えている大きさの領域では個々の部品の扱いが非常に困難であり、コスト的にも見合わないと考えられる。

多孔質領域の形成方法としては、前述したが、更に、例えば特許3191960号公報等に開示された公知の方法を用いることができる。具体的な一例としては、非多孔質シリコン基板上の多孔質化しない領域に、ＨＦ溶液に対して耐性のある材料からなるマスク材でマスキングを行い、陽極化成によって多孔質領域を形成する。この際、ＨＦの濃度や、必要に応じてアルコール等の他の薬品を加え、温度や印加する電圧や電流量、化成時間等を制御することで所望の大きさ、深さの多孔質領域を形成できる。また、前記マスク材としては、ＨＦに対して耐性の強いポリイミド膜、アピエゾンワックス、高抵抗のエピタキシャル膜や高抵抗の非エピタキシャル堆積膜などが用いられる。

本実施形態において、検知電極とシリコン基板との間に設けられる前記絶縁膜は、絶縁性、形成のし易さ、製造コスト等の観点から適宜選択すれば良く、本実施形態の機能が発現されるものであれば特に制約はない。本実施形態に用いることのできる好適な絶縁膜の材料としては、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等の酸化膜、窒化膜が挙げられる。

但し、上記絶縁膜形成後に、多孔質領域を除去する工程を行う場合には、絶縁膜がエッチングされない様に多孔質領域のみを選択的にエッチングする必要がある。例えば、絶縁膜として、使用するエッチャントに対して耐性のある材料を採用することが好ましい。他の方法としては、絶縁膜上に保護膜を設ける方法、エッチャントが絶縁膜と接触しない様にして多孔質領域のみにエッチャントを接触させる方法等がある。

本実施形態の電位測定装置は、検知電極が、周囲のシリコン基板との間に所定の間隙を保って固定されるため、浮遊容量を効果的に低減することができる。また、支持基板に所望の深さの凹部又は貫通孔（中空構造）を形成することができ、浮遊容量をより一層低減することができる。また、前記周囲のシリコン基板との間の隙間は、前記多孔質をエッチングにより除去する際のエッチャントの導入口としても機能する。

本実施形態の電位測定装置の上記製造方法は、検知電極と支持基板間の寄生容量の少ない電位測定装置を比較的簡易な工程で、かつ比較的低コストで製造することができる。特に、シリコン基板上の所定の領域に多孔質を形成することにより、空隙を形成する工程の前に絶縁体膜、電極膜を形成することが可能となる。この結果、シリコン基板上に凹部又は貫通孔（中空構造）を形成後に絶縁膜及び電極を形成する場合よりも、各工程時のハンドリングに優れ、より精度の高い電位測定装置を比較的容易に低コストで製造することができる。

また、シリコン基板に貫通孔を設けないで凹部とする場合には、より小さく軽量で強度の大きい電位測定装置とすることができる。

ここで、本実施形態の電位測定装置について、容量変化手段を含む全体的な構成の例を説明する。一例は、平行な機械的振動により静電容量を変化させる容量変化手段を用いる。図８に、本例に係る電位測定装置を説明する模式図を示す。図８において、２５１はシールド部、２５２は開口部、２５３は梁、２５４は移動側の櫛歯電極、２５５は固定側の櫛歯電極である。これらによって容量変化手段が構成される。また、上記実施形態で説明した様に、絶縁膜１０２上に検知電極１０１と配線１０４が設けられ、支持基板１０３が全体を支えている。配線１０４は、パッド２５７を介して、検出手段に繋がっている。

図８の例においては、検知電極１０１が複数設けられている。ここで、描き方は省略されているが、各検知電極１０１の周りの構造は図１で説明した様になっている。シールド部２５１は、導電性の部材で構成されており、電界を空間的に成形する目的を持ち、或る電位に固定されている。シールド部２５１に開けられた開口部２５２を通して測定対象物から来る電気力線により、検知電極１０１上に電荷が誘導される。検知電極１０１へ誘導された電荷は、絶縁膜１０２上の配線１０４を経由して、パッド２５７から取り出され、電荷検出手段（初段増幅部）に接続されている（不図示）。

移動側櫛歯電極２５４と固定側櫛歯電極２５５間に交流の高電圧を印加することにより、電極の櫛歯部の間に引力を発生させ、矢印の方向の向きにシールド部２５１が往復運動を行う。その往復運動により、検知電極１０１に電荷が誘導される。

図８の例では、検知電極１０１が長尺な短冊状に構成されていて、各検知電極１０１の裏面の一部は露出しているので、上述した効果を奏することができる。すなわち、寄生容量の少ない構造を構成でき、検出感度が向上した高精度な電位測定装置を実現できる。検知電極１０１を複数配置することによって、誘導される電荷量を増やすことができる。勿論、検知電極１０１を１つとする構成も可能である。

また、図９に示す様な全体構成を持つ電位測定装置も可能である。本例に係る電位測定装置は、揺動中心軸の回りの機械的な振動により静電容量を変化させる容量変化手段を有する。

図９の模式図において、３０１はシールド部、３０２は開口部、３０３は支持体、３０４はねじりばね、３０６は、配線１０４が繋がったパッド、３０７はコイル基板、３０８はコイル、３０９はパッドである。シールド部３０１は、導電性の部材で構成されており、測定対象物からの電界を空間的に成形する目的を持ち、或る電位に固定されている。シールド部３０１に開けられた開口部３０２を通して、振動する支持基板１０３上に絶縁膜１０２を介して設けられた検知電極１０１に電荷が誘導される。ここでも、描き方は省略されているが、各検知電極１０１の周りの構造は図１で説明した様になっている。

本例では、支持基板１０３は一対のねじりばね３０４により支持体３０３に揺動振動可能に支持されている。絶縁膜１０２上には、配線１０４とパッド３０６も形成されており、電荷検出手段（初段増幅部）に接続されている（不図示）。一体となった支持基板１０３を揺動させるために、コイル基板３０７上にコイル３０８、パッド３０９が形成されている。

支持基板１０３の裏面側には、一対のねじりばね３０４で規定されるねじり振動軸にほぼ垂直な方向に磁化された磁石３１０が配置されている。コイル３０８に交流電流を流すことにより磁界を発生させ、磁石３１０との間に引っ張り力や反発力を発生させる。それにより、上記ねじり振動軸を中心として支持基板１０３を揺動（ねじり運動）させる。測定対象と２つの検知電極１０１の各々との距離が変化するため、各検知電極１０１上に電荷が誘導される。ここでは、２枚の検知電極１０１が図９の様に配置されているため、それぞれの検知電極１０１が測定対象に対して上下逆の方向に揺動される。従って、それぞれの検知電極１０１からは、位相の１８０度反転した出力信号が出力される。こうして、本例では、位相が１８０度反転した出力信号を分離して得て差動処理できるので、同相ノイズの除去比が高い電位測定装置を実現できる。

この例でも、各検知電極１０１の裏面の一部は露出しているので、寄生容量の少ない構造を構成でき、検出感度が向上した高精度な電位測定装置を実現できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態として、本発明の電位測定装置を用いた画像形成装置の構成例を説明する。

本実施形態の画像形成装置を図１０に示す。感光ドラム４２１の周辺に、帯電器制御部４１７により制御可能な帯電器４１６、露光器４１８、本発明の電位測定装置４１５、トナー供給器４１９が設置されている。帯電器４１６で感光ドラム４２１の表面を帯電し、露光器４１８を用いて感光ドラム４２１の表面を露光することにより潜像が得られる。この潜像にトナー供給器４１９によりトナーを付着させることにより、潜像が現像されたトナー像を得る。このトナー像を送りローラー４２０と感光ドラム４２１で挟まれた被印刷物体４２２に転写し、被印刷物体４２２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。帯電器制御部４１７が信号処理装置を構成し、帯電器４１６、露光器４１８、感光ドラム４２１などが画像形成手段を構成する。

この構成において、感光ドラム４２１の帯電状態を本発明の電位測定装置４１５で測定し、感光ドラム４２１の表面電位の測定信号を帯電器制御部４１７に出力する。この測定信号に基づき、帯電器制御部４１７は、帯電後の感光ドラム４２１の表面電位が所望の値になる様に帯電器４１６の帯電電圧をフィードバック制御する（本発明の電位測定装置４１５の測定信号は、露光器４１８にフィードバックされてこれを制御することもできる）。これにより、感光ドラム４２１の安定した帯電が実現され、安定した画像形成が実現される。

本発明の一実施形態に係る電位測定装置の検知電極とそれを保持する構造を説明する平面図である。 図１のＡ部分での断面図である。 図１のＢ部分での断面図である。 図１の実施形態に係る電位測定装置の変形例を説明する断面図である。 図１の実施形態に係る電位測定装置の他の変形例を説明する平面図である 図５のＣ部分での断面図である。 図１の実施形態に係る電位測定装置の一製造方法を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係る電位測定装置の一全体構成例を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係る電位測定装置の他の全体構成例を説明する斜視図である。 本発明の電位測定装置を用いた画像形成装置の、感光ドラムの回転軸と垂直な平面上での配置を示した図である。 検知電極−支持基板間に発生する寄生容量を説明する模式図である。 容量変化手段を有する電位測定装置の概念的な構成図である。

符号の説明

１０１、２０４ 検知電極
１０２、２０３ 絶縁膜（絶縁体）
１０３、２０１ 支持基板（シリコン基板、シリコン構造）
２０２ 多孔質シリコン
２５１−２５５、３０８ 容量変化手段

Claims (9)

1. 測定対象と検知電極との間の静電容量を変化させることによって前記検知電極に静電誘導される電荷量を検出する電位測定装置であって、前記検知電極は、該検知電極の前記測定対象と対向する面と反対側の面の少なくとも一部が露出する様に支持基板に固定されることを特徴とする電位測定装置。
2. 測定対象と検知電極との間の静電容量を変化させることによって前記検知電極に静電誘導される電荷量を検出する電位測定装置であって、前記検知電極は、前記支持基板に固定され、該検知電極の前記測定対象と対向する面と反対側の面に接する様に空隙を有することを特徴とする電位測定装置。
3. 前記検知電極と前記支持基板とは絶縁性を保った状態で固定されることを特徴とする請求項１または２記載の電位測定装置。
4. 前記検知電極は前記静電誘導される電荷量を外部に取り出すための配線を有し、該配線の支持される側の面の少なくとも一部が露出する様に前記支持基板に固定されることを特徴とする請求項１、２または３記載の電位測定装置。
5. シリコン基板上の検知電極を形成する領域の少なくとも一部に凹部又は貫通孔を形成する第１の工程と、該凹部又は貫通孔の周囲の少なくとも一部に絶縁膜を形成する第２の工程と、前記凹部又は貫通孔の少なくとも一部を覆うように該絶縁膜上に電極を形成する第３の工程と、を含むことを特徴とする電位測定装置の製造方法。
6. 前記第３の工程において、絶縁膜上に電極を、一部が凹部又は貫通孔に露出する様にして、形成することを特徴とする請求項５記載の電位測定装置の製造方法。
7. シリコン基板上の検知電極を形成する領域の少なくとも一部を陽極化成により多孔質化する第１の工程と、該多孔質化した領域の周囲の少なくとも一部に絶縁膜を形成する第２の工程と、前記多孔質化した領域の少なくとも一部を覆うように該絶縁膜上に電極を形成する第３の工程と、前記多孔質シリコンを除去する第４の工程と、を含むことを特徴とする電位測定装置の製造方法。
8. 前記第３の工程において、前記多孔質化した領域の少なくとも一部が露出するように電極を形成し、前記第４の工程において、前記多孔質シリコンが露出した部分から該多孔質シリコンを除去することを特徴とする請求項７記載の電位測定装置の製造方法。
9. 請求項１乃至４の何れかに記載の電位測定装置と画像形成手段を備え、前記電位測定装置の検知電極が前記画像形成手段の電位測定の対象と対向して配置され、前記画像形成手段が電位測定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。