JP2009222521A - 表面電位センサユニット、表面電位センサ、および表面電位センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、よりコンパクトで高感度、高分解能の表面電位センサが得られる表面電位センサユニットの提供。
【解決手段】電気光学的効果を有し、光を単一モードで伝搬する２次元導波路である単一モード導波路２と、単一モード導波路２を両面から挟むように設けられた検知電極１および接地電極３と、単一モード導波路２の一端から偏光を導入する偏光子４およびＶＣＳＥＬ５と、単一モード導波路２の他端から出射される偏光の強度を測定する検光子６および光ダイオード７と、を備え、検知電極１には、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブ２０が電気的に接続される表面電位センサユニット。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面電位センサユニット、表面電位センサ、および電位測定アレイに関する。

電子複写機やレーザプリンタのような電子写真式の画像形成装置においては、露光および現像という画質に決定的に影響する段階で、感光体表面の表面電位の分布が均一であることが良好な画質の画像を得る上で必須である。したがって、これらの画像形成装置では画質を良好に保つべく、感光体表面の表面電位を連続的に測定する必要がある。

感光体表面の表面電位を連続的に測定するセンサとしては表面電位センサがある。表面電位センサのうちでは、表面電位を光学的特性の変化として検出する形態の電気光学的センサは、表面電位を電気的特性の変化として検出する形態のセンサと比較して小型化が容易な点、エネルギー消費が少ない点、および応答が速い点で有利である。

電気光学的センサを用いた表面電位測定装置としては、表面電位を測定すべき被検出試料の表面に対向して配置される検知電極と、前記検知電極に電気的に接続され、ポッケルス効果を有するセンサ素子と、このセンサ素子の出力から上記被検出試料の表面電位を検出する信号処理回路と、上記センサ素子の電圧値を所定のタイミングで保持するホールド回路とを備える非接触型表面電位計がある（特許文献１）
特開平８−３０４４９８号公報

しかしながら、センサ素子としてバルク結晶を用いると、十分なポッケルス効果を得るためには、前記センサ素子に高電圧を印加する必要があるとともに、プローブのアパーチャを大きくする必要がある。

したがって、前記センサ素子を用いて感度および分解能の高い表面電位計を作製するのは困難である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、よりコンパクトで高感度、高分解能の表面電位センサが得られる表面電位センサ素子の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、表面電位センサユニットにおいて、電気光学的効果を有し、光を単一モードで伝搬する２次元導波路である単一モード導波路と、前記単一モード導波路を両面から挟むように設けられた検知電極および接地電極と、前記単一モード導波路の一端から偏光を導入する偏光導入手段と、前記単一モード導波路の他端から出射される偏光の強度を測定する偏光検出手段と、を備え、前記検知電極には、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブが電気的に接続されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記偏光導入手段が、発光素子と、前記発光素子と前記単一モード導波路の一端との間に配設された偏光子とを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記偏光検出手段は、受光素子と、前記受光素子と前記単一モード導波路の他端との間に配設された検光子とを備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、表面電位センサユニットにおいて、電気光学的効果を有し、光を単一モードで伝達する２次元導波路である一対の単一モード導波路と、光を２つに分岐させて夫々の単一モード導波路に入射させる入射導波路と、夫々の単一モード導波路から出射した光を合流させて導出する出射導波路と、前記一対の単一モード導波路の下側に設けられた接地電極と、前記単一モード導波路の一方の上側に設けられた検知電極と、前記入射導波路に光を入射させる発光素子と、前記出射導波路からの光を受光する受光素子と、を備え、前記検知電極には、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブが電気的に接続されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記入射導波路および出射導波路は１の単一モード導波路が２つに分岐した分岐導波路であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記入射導波路および出射導波路は何れも光を多モードで伝搬する２次元導波路である多モード導波路からなることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の表面電位センサユニットにおいて、基板と、前記基板上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率と電気光学的効果とを有するコア層と、を備え、前記単一モード導波路が前記コア層によって形成され、前記検知電極が上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側クラッド層との間に形成されていることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項４〜６の何れか１項に記載の表面電位センサユニットにおいて、基板と、前記基板上に形成された下側クラッド層と、前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率と電気光学的効果とを有するコア層と、を備え、前記単一モード導波路と入射導波路と出射導波路とが前記コア層によって形成され、前記検知電極が上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極が前記基板と下側クラッド層との間に形成されていることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記多モード導波路が、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路であることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項７または８に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記多モード導波路が、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路であることを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項７〜１０の何れか１項に記載の表面電位センサユニットにおいて、前記下側クラッド層、上側クラッド層、およびコア層は何れも有機ポリマーから形成されていることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、表面電位センサにおいて、請求項１〜１１の何れか１項に記載の表面電位センサユニットと、前記表面電位センサユニットの検知電極に電気的に接続され、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブと、を備えることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の表面電位センサにおいて、前記プローブが導線を介して前記検知電極に接続されていることを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項１１に記載の表面電位センサにおいて、前記プローブが、被測定物の表面に相対し、または接触する側とは反対側の端部において前記検知電極に取り付けられていることを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項１２〜１４の何れか１項に記載の表面電位センサにおいて、前記プローブにおいて被測定物に相対し、または接触する側の端部が絶縁体で被覆されていることを特徴とする。

請求項１６に記載の発明は、請求項１２〜１５の何れか１項に記載の表面電位センサにおいて、前記プローブを被測定物に押圧するプローブ押圧手段を有することを特徴とする。

請求項１７の発明は、表面電位センサアレイにおいて、請求項１２〜１６に記載の表面電位センサを複数備え、前記表面電位センサのプローブが、表面電位を測定しようとする被測定物の表面に沿って配列されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ポッケルス素子として電気工学的効果を有する単一モード導波路を用いているから、センサ素子としてバルク結晶を用いた表面電位計と比較してポッケルス素子として機能する部分の厚さが小さい。したがって、感度および分解能の高い表面電位センサの得られる表面電位センサユニットが提供される。

請求項２の発明によれば、発光素子としてたとえば通常の面発光レーザ素子などを用い、偏光子としてたとえば通常の偏光板を用いて偏光導入手段を構成できる。

請求項３の発明によれば、受光素子として光ダイオードなどを用い、検光子としてたとえば通常の偏光板を用い、前記偏光板の偏光面が偏光子の偏光面に対して直交するように前記偏光板を配設することにより、偏光検出手段を構成できる。

請求項４の発明によれば、単一モード導波路の一方をセンサ素子として用いているから、センサ素子としてバルク結晶を用いた表面電位計と比較して感度および分解能の高い表面電位センサの得られる表面電位センサユニットが提供される。

請求項５の発明においては、入射導波路および出射導波路としてＹ字型導波路を用いているから、入射導波路および出射導波路は一対の単一モード導波路とともにマッハ・ツェンダ型光変調器を構成する。ここで、マッハ・ツェンダ型光変調器は、印加した電場に対する変調比が高いから、前記発明によれば高感度の表面電位センサが提供される。

請求項６の発明においては、入射導波路および出射導波路として多モード導波路を用いている。ここで、多モード導波路においては、入射光の波長に合わせて長さを設定することにより、入射光を２等分することができる。したがって、前記発明によれば、前記一対の単一モード導波路に同一の強度の光が導入されるように入射導波路の長さを設定することにより、各単一モード導波路に導入される光の強度が異なる場合に比較し、同一の電圧の電場を変調電極に印加したときの変調比を高くすることができる。

請求項７の発明においては、前記単一モード導波路はコア層によって形成されている。そして、コア層を伝搬する光は、コア層とクラッド層との境界面で全反射しながら伝搬するから、光がコア層の外に漏洩することがない。したがって、検知電極に被測定物の表面電位が印加されて生じた電場は、単一モード導波路内を伝搬される光に効果的に及ぼされる。したがって、上記コア−クラッド構造を有しない表面電位センサユニットに比較して感度および分解能の高い表面電位センサの得られる表面電位センサユニットが提供される。

請求項８の発明においても、請求項７の発明と同様に、単一モード導波路がコア層によって形成されているから、単一モード導波路に導入された光が外に漏洩することがない。したがって、検知電極に被測定物の表面電位が印加されて生じた電場は、単一モード導波路内を伝搬される光に効果的に及ぼされるから、請求項７の発明と同様に、感度および分解能の高い表面電位センサの得られる表面電位センサユニットが提供される。

請求項９の発明においては、検知電極に印加した表面電位によってコア層により大きな電界が生じるから、より高いポッケルス効果がえられる。したがって、感度のより高い表面電位センサの得られる表面電位センサユニットが提供される。

請求項１０の発明においては、基板上に接地電極および下側クラッド層を形成したあと、下側クラッド層の表面を適宜の方法でエッチングし、コア層に形成しようとする単一モード導波路等の導波路に対応する凹陥部を形成し、次いでコア層を形成することにより、モード導波層等を形成できる。したがって、何らかの事情により、コア層の表面をエッチング処理できない場合に好適である。

請求項１１の発明によれば、コア層およびクラッド層の材質が幅広い範囲から選択できるから、所望の特性を有する表面電位センサユニットを容易に作成できる。

請求項１２の発明によれば、請求項１の発明のところで述べた理由により、感度および分解能の高い表面電位センサが提供される。

請求項１３の発明によれば、プローブと表面電位センサユニットおよび前記表面電位センサユニットを駆動する電子回路等とを離して配置した表面電位センサが提供される。

請求項１４の発明によれば、プローブと表面電位センサユニットとが一体化した表面電位センサが提供されるから、プローブと表面電位センサユニットとが離れて配置された表面電位センサと比較してよりコンパクトな表面電位センサが提供される。

請求項１５に記載の発明によれば、プローブを被測定物に当接したときに被測定物を傷つけることの無い表面電位センサが提供される。

請求項１６に記載の発明によれば、被測定物が高速で回転する場合においてもプローブと被測定物との距離を一定に保持できる表面電位センサが提供される。

請求項１７に記載の発明によれば、電子写真式の画像形成装置における感光体のように寸法が大きな被測定物の表面電位分布を測定できる表面電位センサアレイが提供される。

１．実施例１

以下、本発明に係る表面電位センサの一例について説明する。

［構成］
実施形態１に係る表面電位センサ１００は、図１の（ａ）および（ｂ）、図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、単一モード導波路２と、単一モード導波路２全体を覆うように形成された検知電極１と、単一モード導波路２を挟んで検知電極１の反対側に位置する接地電極３とを備える。

単一モード導波路２の一端には、通常の偏光板からなる偏光子５を間に挟んで発光素子として面発光レーザ素子４が設けられている。偏光子５と面発光レーザ素子４とから本発明の偏光導入手段が構成される。一方、単一モード導波路２の他端には、検光子６を挟んで受光素子である光ダイオード７が設けられている。図１の（ｂ）に示すように、検光子６は偏光子５の偏光面に対して直交する偏光面を有する偏光板である。検光子６と光ダイオード７とによって偏光検出手段が設けられている。

図１の（ａ）および（ｂ）、図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、単一モード導波路２は電気光学的効果を有するコア層１０によって形成されている。コア層１０の下側には下側クラッド層９が、コア層１０の上側には上側クラッド層１１が設けられている。検知電極１は、上側クラッド層１１の上側の面に形成されている。また、クラッド層１１の上側には誘電体層１２が積層されている。コア層１０は、図２の（ａ）に示すように、上方に突出したリブ構造の導波路であってもよく、反対に図２の（ｂ）にしめすように、下方に突出した逆リブ構造の導波路であってもよい。

接地電極３、面発光レーザ素子４、偏光子５、検光子６、光ダイオード７は、図３に示すように、面発光レーザ素子４を駆動する駆動回路素子１３および光ダイオード７からの信号を増幅する増幅回路素子１４とともに基板８上に積層されている。検知電極１は、図１〜図３に示すように、一部が上側クラッド層１１と誘電体層１２との間から突出してプローブ２０が接続されるプローブ接続部１Ａを形成している。以上、検知電極１、接地電極３、面発光レーザ素子４、偏光子５、検光子６、光ダイオード７、基板８、下側クラッド層９、コア層１０（単一モード導波路２）、上側クラッド層１１、および誘電体層１２から形成される表面電位センサユニット５０が形成される。

プローブ接続部１Ａには、図３に示すように、導線３０を介してプローブ２０が接続されている。但し、導線３０を介してプローブ２０をプローブ接続部１Ａに接続する代わりに、図７の（ａ）および（ｂ）に示すようにプローブ２０を検知電極１上に立設し、表面電位センサユニット５０とプローブ２０とを一体化してもよい。表面電位センサユニット５０とプローブ２０とが一体化された形態の表面電位センサ１００は、単独でも使用できるが、図８に示すように、一群の表面電位線さ１００を、プローブ２０、面発光レーザ素子４、および光ダイオード７の向きが同一になるように幅方向に沿って配列して表面電位センサアレイ１０００としてもよい。なお、表面電位センサアレイ１０００においては、各表面電位センサ１００の面発光レーザ素子４を共通の駆動回路１５で駆動し、光ダイオード７からの信号を共通の増幅回路１６で増幅するようにしてもよい。また、各表面電位センサ１００を共通の基板８の上に形成してもよい。表面電位センサアレイ１０００を用いることにより、感光ドラム２００などの被測定物の表面電位の分布が短時間で測定できる。

なお接地電極３は接地されている。

プローブ２０は、図４の（ａ）および（ｂ）に示すように針状の本体２１とその先端に形成された独楽状の先端部２２とを有する。プローブ２０は、本体２１の根元部において導線３０または検知電極１に接続される。

プローブ２０は、図４の（ａ）に示すように、本体２１のみが絶縁被覆２３で被覆され、先端部２２が絶縁被覆２３から露出していてもよく、図４の（ｂ）に示すように、本体２１が絶縁被覆２３で、先端部２２が絶縁キャップ２４で被覆されていてもよい。絶縁被覆２３および絶縁キャップ２４は同一の種類の絶縁体で形成されていても、異なる種類の絶縁体で形成されていてもよい。

なお、プローブ２０と表面電位センサユニット５０とを一体化した態様においては、図７の（ａ）に示すように、絶縁被覆２３および絶縁キャップ２４を省略してもよい。

表面電位センサ１００で電子写真式の画像形成装置の感光ドラム２００等の被測定物の表面電位を測定するときは、図５に示すように先端部２２が設けられた側の端部を感光ドラム２００に当接させるかまたは近接させる。なお、図６に示すようにプローブ２０をたとえば有底開口円筒状のホルダ２５内に収納し、ホルダ２５の底部とプローブ２０との間にコイルバネ２６などのプローブ押圧手段を介装してプローブ２０の先端が感光ドラム２００等の被測定物の表面に押圧されるようにしてもよい。

コア層１０、上側クラッド層１１、および下側クラッド層９の材質としては、アクリル樹脂やエポキシ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、弗素化ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリシロキサン樹脂などの透光性高分子材料、酸化ケイ素、各種ガラス、チタン酸ストロンチウム、ガリウム砒素、インジウム燐など、電場を印加すると屈折率が変化する電気光学効果を有するとともに、変調しようとする光に対して透明な材料であれば、どのようなものも使用できる。なお、前記透光性高分子を使用する場合には、非線形光学効果を発現させるため、電気光学効果を有する色素を分散させるか、または、主鎖や側鎖に非線形光学効果を有する基を結合させることが好ましい。

検知電極１および接地電極３の材質としては、アルミニウム、チタン、金、銅、ＩＴＯなど、電極用材料として知られている各種金属材料や金属酸化物が挙げられる。

［作製手順］
表面電位センサ１００は、以下の手順で作製することができる。

先ず、基板８を用意する。基板８としては、ガラス基板や石英基板、シリコン基板、ポリイミド基板など任意の材料からなる基板を用いることが可能である。基板８にシランカップリング剤などを塗布すれば、接地電極３との接着性を向上させることができる。

次に、基板８の表面に接地電極３を形成する。接地電極３は、基板８の表面にアルミニウム、チタン、金、銅などの金属を蒸着または鍍金して形成してもよく、また、前記金属の箔を貼り合わせてもよい。

接地電極３が形成されたら、接地電極３の表面に下側クラッド層９を形成する。先ず、接地電極３の表面に、下側クラッド層９を形成する透光性高分子の溶液を塗布する。前記溶液を接地電極３に塗布する方法としては、カーテンコーティング法、押出成形コーティング法、ロールコーティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、バーコーティング法、スプレーコーティング法、スライドコーティング法、印刷コーティング法などが挙げられる。上記材料の溶液の溶液を第１の基板に塗布したら、加熱して溶媒を溜去し、必要に応じて反応、硬化させて下側クラッド層９を形成する。

次に、下側クラッド層９の表面にコア層１０を形成する。コア層１０は、たとえば、コア層１０を形成する透光性高分子の溶液を下側クラッド層９の表面に塗布し、加熱、硬化させて形成できる。前記溶液の塗布方法は、下側クラッド層９のところで述べたのと同様の方法が使用される。

コア層１０が形成されたら、コア層１０に単一モード導波路２を形成する。導波路を形成する手段としては、エッチングなどの手段が挙げられる。また、下側クラッド層９に前記導波路に対応する形状の凹陥部を形成し、その上から透光性高分子の溶液を塗布して加熱、硬化させることにより、前記単一モード導波路２を形成してもよい。

次に、コア層１０の上に上側クラッド層１１を形成し、更にその上に金属皮膜からなる種電極を形成する。種電極は、接地電極３と同様にして形成できる。種電極は、単一モード導波路２全体を覆うように形成される。

種電極を形成したら、種電極に所定の電圧を印加してコア層１０に電場を印加し、コア層１０の単一モード導波路２が形成された部分を分極配向処理する。

分極配向処理が終了したら、種電極を除去し、上側クラッド層１１の表面に検知電極１を形成する。なお、種電極を除去する代わりに検知電極１の平面形状にエッチングし、電気鍍金などの手段によって種電極の厚みを増加させて検知電極１を形成してもよい。

検知電極１が形成されたら、上側クラッド層１１の上側に誘電体層１２を形成する。

次いで、単一モード導波路２の一端に偏光子５および面発光レーザ素子４を、他端に検光子６および光ダイオード７を接着して表面電位センサユニット５０が形成される。

表面電位センサユニット５０が形成されたら、検知電極１のプローブ接続部１Ａに導線３０を介してプローブ２０を接続するか、または検知電極１にプローブ２０を直接立設するかして表面電位センサ１００とする。

［作用］
以下、表面電位センサ１００の作用について説明する。

表面電位センサ１００においては、面発光レーザ素子４から出射した光は偏光子５で偏光とされ、単一モード導波路２の一端に入射する。

ここで、プローブ２０の先端を感光ドラム２００などの被測定物に近接させないときは、検知電極１と接地電極３との間には電位差が生じることはないから、単一モード導波路２はポッケルス効果を示さない。したがって、面発光レーザ素子４から出射し、偏光子５で偏光とされた光は、偏光面の水平面に対する角度が殆ど変化しないまま、単一モード導波路２を通過するから、偏光子５の偏光面に対して直交する偏光面を有する検光子６で完全に遮られる。したがって、光ダイオード７では殆ど検出されない。

ここで、プローブ２０の先端を被測定物に近接させ、または当接させると、プローブ２０を介して被測定物の表面電位に等しい電圧が検知電極１に印加される。これにより、検知電極１と接地電極３との間に電位差が生じ、単一モード導波路２がポッケルス効果を示す。したがって、面発光レーザ素子４から出射し、偏光子５を通過した偏光は、単一モード導波路２の内部で偏光面が回転するから、検光子６を透過するようになり、光ダイオード７で検出される。単一モード導波路２の内部で偏光面の回転の程度、即ちポッケルス効果の程度は、検知電極１に印加する電圧が高くなればなるほど大きくなるから、光ダイオード７で検出される光の強さも大きくなる。

ここで単一モード導波路２におけるポッケルス効果の程度は、以下の式（１）で示される。

式（１）で、Δｎ（Ｅ）は電場Ｅにおいて電気光学的効果によって変化する屈折率ｎの変化量を、λは単一モード導波路２に導入される光の波長を、Ｌは単一モード導波路の長さを示す。

また、屈折率の変化量Δｎ（Ｅ）は、以下の式（２）で示される。

式（２）で、ｒ_３３は電気光学定数を、Γは、電場Ｅの方向に沿った電気光学的重なり(electro-optical power overlap)を示す。

式（２）から、表面電位センサの感度を高めるには、ポッケルス素子として機能する部分の電場方向の厚みｄを小さくするとともに、電気光学的重なりΓを大きくする必要がある。

本実施形態の表面電位センサ１００においては、二次元導波路である単一モード導波路２をポッケルス素子として機能させているが、単一モード導波路２は厚みｄが５μ程度であり、二次元導波路である故に電気光学的重なりΓが０．９５またはそれ以上とほぼ１に等しいから、厚さが１ｍｍ〜１ｃｍ程度のバルク結晶をポッケルス素子として使用した場合と比較して極めて高い感度および分解能が得られる。

２．実施例２
以下、本発明に係る表面電位センサの別の例について説明する。

［構成］
実施形態２に係る表面電位センサ１１０は、図９および図１０に示すように、一対の単一モード導波路２Ａ、２Ｂと、単一モード導波路２Ａ、２Ｂに光を導入するＹ字分岐路である入射導波路３１と、単一モード導波路２Ａ、２Ｂを透過した光を合流させて導出するＹ字分岐路である出射導波路３２とを備える。

検知電極１は単一モード導波路２Ａのみを覆うように形成されている。単一モード導波路２Ａ、２Ｂを挟んで検知電極１の反対側には、接地電極３が形成されている。

表面電位センサ１１０もまた、実施形態１に係る表面電位センサ１００と同様に基板８、下側クラッド層９、コア層１０、上側クラッド層１１、および誘電体層１２をこの順序で積層して形成されている。そして、単一モード導波路２Ａ、２Ｂ、入射導波路３１、および出射導波路３２は電気光学的効果を有するコア層１０に形成されている。

以上の点を除いて表面電位センサ１１０は、実施形態１に係る表面電位センサ１００と同様の構成を有している。また、プローブ２０は検知電極１に接続される。更に、作成手順も同様である。

［作用］
入射導波路３１にたとえば面発光レーザ素子からの光を導入すると、入射した光は、入射導波路３１で２つに分けられ、単一モード導波路２Ａ，２Ｂに導入される。

ここで、プローブ２０を被測定物に近接または当接させないときは、検知電極１には電圧は印加されないから、単一モード導波路２Ａの屈折率ｎは単一モード導波路２Ｂの屈折率ｎと同一である。したがって、出射導波路３２からは入射光と同一の強度の光が出射する。

ここで、プローブ２０の先端を被測定物に近接させ、または当接させると、プローブ２０を介して被測定物の表面電位に等しい電圧が検知電極１に印加される。これにより、検知電極１と接地電極３との間に電位差が生じ、単一モード導波路２Ａの厚さ方向に電界が生じる。これによって単一モード導波路２Ａでは屈折率ｎが変化する。しかし、単一モード導波路２Ｂは電場の中には無いから屈折率ｎは変化しない。

単一モード導波路２Ａにおける屈折率の変化量Δｎ（Ｅ）は、以下の式（３）で示される。

式（３）で、ｒ_３３は電気光学定数を、Γは、電場Ｅの方向に沿った電気光学的重なりを示す。

したがって、単一モード導波路２Ａを透過する光と単一モード導波路２Ｂを透過する光との間で位相差が生じるから、出射導波路３２で合流された光は互いに打ち消しあうようになる。したがって、出射導波路３２から導出する光の強度はプローブ２０を被測定物に近接させ、または当接させないときと比較して弱くなる。

このように、実施形態２の表面電位センサ１１０においては、出射導波路３２から導出する光の強度の低下量から被測定物の表面電位を測定できる。

３．実施形態３

以下、本発明に係る表面電位センサの更に別の例について説明する。
［構成］

実施形態３に係る表面電位センサ１２０は、図１１および図１２に示すように、一対の単一モード導波路２Ａ、２Ｂと、単一モード導波路２Ａ、２Ｂに光を導入する入射導波路３３と、単一モード導波路２Ａ、２Ｂを透過した光を合流させて導出する出射導波路３４とを備える。

検知電極１は単一モード導波路２Ａのみを覆うように形成されている。単一モード導波路２Ａ、２Ｂを挟んで検知電極１の反対側には、接地電極３が形成されている。

表面電位センサ１２０もまた、実施形態１に係る表面電位センサ１００と同様に基板８、下側クラッド層９、コア層１０、上側クラッド層１１、および誘電体層１２をこの順序で積層して形成されている。そして、単一モード導波路２Ａ、２Ｂ、入射導波路３３、および出射導波路３４は電気光学的効果を有するコア層１０に形成されている。

入射導波路３３は、単一モード導波路２Ａ，２Ｂに接続された多モード導波路３５と、多モード導波路に光を導入する一対の単一モード導波路３６Ａ、３６Ｂとを有する。出射導波路３４は、単一モード導波路２Ａ、２Ｂから導出された光を合流させる多モード導波路３７と、多モード導波路３７で合流された光を導出する一対の単一モード導波路３８Ａ、３８Ｂとを有する。

入射導波路３３においては、多モード導波路３５は、単一モード導波路３６Ａから光を導入したときは、単一モード導波路３６Ａとの接続部および単一モード導波路２Ｂとの接続部に輝点が生じ、単一モード導波路３６Ｂから光を導入したときは、単一モード導波路３６Ｂとの接続部および単一モード導波路２Ａとの接続部に輝点が生じるように長さが設定されている。

同様に、出射導波路３４においては、多モード導波路３７は、単一モード導波路２Ａから光を導入したときは単一モード導波路２Ａとの接続部および単一モード導波路３８Ｂとの接続部に輝点が生じ、単一モード導波路２Ｂから光を導入したときは単一モード導波路２Ｂとの接続部および単一モード導波路３８Ａとの接続部に輝点が生じるように長さが設定されている。

以上の点を除いて表面電位センサ１２０は、実施形態２に係る表面電位センサ１１０と同様の構成を有している。また、プローブ２０は検知電極１に接続される。更に、作成手順も同様である。

［作用］

入射導波路３３において、単一モード導波路３６Ａと３６Ｂとに同一の強度の光を導入すると、多モード導波路３５によって、単一モード導波路３６Ａから入射した光は単一モード導波路２Ｂへ、単一モード導波路３６Ｂから入射した光は単一モード導波路２Ａへと導入される。

ここで、プローブ２０を被測定物に近接または当接させないときは、検知電極１には電圧は印加されないから、単一モード導波路２Ａの屈折率ｎは単一モード導波路２Ｂの屈折率ｎと同一である。したがって、単一モード導波路２Ａ、２Ｂのいずれにおいても、光の位相は同一であるから、出射導波路３４においては、多モード導波路３７によって、単一モード導波路２Ａを伝搬された光は単一モード導波路３８Ｂへ、単一モード導波路２Ｂを伝搬された光は単一モード導波路３８Ａへと導かれる。したがって、単一モード導波路３８Ａ、３８Ｂの何れからも同一の強度の光が導出される。

ここで、プローブ２０の先端を被測定物に近接させ、または当接させると、プローブ２０を介して被測定物の表面電位に等しい電圧が検知電極１に印加される。これにより、検知電極１と接地電極３との間に電位差が生じ、単一モード導波路２Ａの厚さ方向に電界が生じる。これによって単一モード導波路２Ａでは実施形態２の式（３）に示すように屈折率ｎが変化する。しかし、単一モード導波路２Ｂは電場の中には無いから屈折率ｎは変化しない。

したがって、単一モード導波路２Ａにおいては透過する光の位相が変化するから、単一モード導波路２Ａから導出された光と単一モード導波路２Ｂから導出された光とが多モード導波路３７において互いに打消しあうようになると考えられる。

故に、単一モード導波路３８Ａおよび３８Ｂから導出さえる光の強さは低下する

以下の手順に従って表面電位センサ１００を作製した。
基板８上にＶＣＤ法によって金を蒸着して接地電極３を形成し、その上に、アクリル系樹脂をスピンコートして紫外線硬化させ、厚さ３．５μｍの下側クラッド層９を形成した。

そして、下側クラッド層９にＦＴＣ（２−ジシアノメチレン−３−シアノ−４−｛２−［トランス−（４−Ｎ，Ｎ−ジアセトキシエチル−アミノ）フェニレン−３，４−ジブチレン−５］ビニル｝−５，５−ジメチル−２，５−ジヒドロフラン）にＤｉｓｐｅｒｓｅ−Ｒｅｄ １を分散させたものをスピンコートして加熱、硬化させ、厚さ３．３μｍのコア層１０を形成した。

次いで、コア層１０を周囲の部分の厚さが２．６μｍになるようにエッチングしてリッジ高さ０．７μｍ、幅５μｍの単一モード導波路２を形成した。単一モード導波路２の長さは２ｃｍとした。

コア層１０に単一モード導波路２を形成したら、その上に下側クラッド層９を形成するのに使用したのと同様のアクリル樹脂を厚さ３．５μｍにスピンコートして紫外線で硬化させた。下側クラッド層９および上側クラッド層１１の屈折率は１．５４３７であり、コア層１０の屈折率は１．６５６３であった。

上側クラッド層１１が形成されたら、その上に金を蒸着させて種電極を形成した。 種電極が形成されたら、９０〜２５０℃の高温で第３電極３と種電極との間に４００〜２０００Ｖの電圧を印加し、前記電圧を印加した状態で常温まで放冷してコア層１０を分極配向処理した。

分極配向処理が終了したら、種電極をエッチングして除去し、検知電極１を金鍍金により形成した。検知電極１の幅を４μｍ〜２０μｍまで変化させた。

次いで、単一モード導波路２の入口側に偏光子５と面発光レーザ素子４とを配設し、単一モード導波路２の出口側に検光子６と光ダイオード７とを配設した。面発光レーザ素子４としては、波長７８０μｍのレーザ光を発生させるものを用いた。

このようにして得られた表面電位センサユニット５０について、電気光学的重なりΓを測定した。結果を図１３に示す。なお、電気光学的重なりΓは、数値計算法(numerical method)に基いて求めた。導波路の寸法と、コア層１０および上側クラッド層１１、下側クラッド層９の屈折率の測定値とに基いて導波路のモードプロファイル(modal profile)を最初に計算した。ついで式（３）を用いて電気光学的重なりΓを求め、図１３にプロットした。

図１３から明らかなように、検知電極１の幅が４μｍのときは電気光学的重なりΓは７０％と低かったが、検知電極１の幅が１２μｍになると、電気光学的重なりΓは９８％に達し、２０μｍではほぼ１００％に達した。したがって、単一モード導波路の厚さが０．７μｍ、幅が５μｍのときは、検知電極１の幅は１２μｍ以上が好ましいことが判る。

次いで、検知電極１の幅を１２μｍとした表面電位センサユニット５０について、接地電極３を接地した状態で検知電極１に電圧を印加したときの、印加電圧と、面発光レーザ素子４から出射した光の強度に対する光ダイオード７で検出された光の強度の割合との関係を図１４に示す。

図１４に示すように、検知電極１に電圧を印加しないときは、光ダイオード７で検出される光の強度は０であるが、検知電極１に印加する電圧が０．２Ｖ上昇する毎に光ダイオード７で検出された光の強度の割合も０．１ずつ上昇し、印加電圧が１１Ｖになると、光ダイオード７で検出された光の強度の割合はほぼ１に達した。

図１は、実施形態１に係る表面電位センサユニットの構成を示す斜視図および分解斜視図である。 図２は、実施形態１に係る表面電位センサユニットの構成を示す幅方向の断面図である。 図３は、実施形態１に係る表面電位センサの構成を示す斜視図である。 図４は、実施形態１に係る表面電位センサの備えるプローブの構成を示す斜視図である。 図５は、実施形態１に係る表面電位センサで感光ドラムの表面電位を測定しているところを示す斜視図である。 図６は、図４のプローブに押圧手段を設けた例を示す斜視図である。 図７は、実施形態１に係る表面電位センサにおいて表面電位センサユニットとプローブとを一体化した例を示す斜視図である。 図８は、図７に示す表面電位センサを多数配列して構成した表面電位センサアレイの例を示す斜視図である。 図９は、実施形態２に係る表面電位センサの構成を示す斜視図である。 図１０は、実施形態２に係る表面電位センサの構成を示す平面図である。 図１１は、実施形態３に係る表面電位センサの構成を示す斜視図である。 図１２は、実施形態３に係る表面電位センサの構成を示す平面図である。 図１３は、実施例において得られた検知電極の幅と電気光学的重なりとの関係を示すグラフである。 図１４は、実施例において測定された検知電極への印過電圧と検出光の強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 検知電極
１Ａ プローブ接続部
２ 単一モード導波路
２Ａ 単一モード導波路
２Ｂ 単一モード導波路
３ 接地電極
４ 面発光レーザ素子
５ 偏光子
６ 検光子
７ 光ダイオード
８ 基板
９ 下側クラッド層
１０ コア層
１１ 上側クラッド層
１２ 誘電体層
１３ 駆動回路素子
１４ 増幅回路素子
１５ 駆動回路
１６ 増幅回路
２０ プローブ
２１ 本体
２２ 先端部
２３ 絶縁被覆
２４ 絶縁キャップ
２５ ホルダ
２６ コイルバネ
３０ 導線
３１ 入射導波路
３２ 出射導波路
３３ 入射導波路
３４ 出射導波路
３５ 多モード導波路
３６Ａ 単一モード導波路
３６Ｂ 単一モード導波路
３７ 多モード導波路
３８Ａ 単一モード導波路
３８Ｂ 単一モード導波路
５０ 表面電位センサユニット
１００ 表面電位センサ
１１０ 表面電位センサ
１２０ 表面電位センサ
２００ 感光ドラム
１０００ 表面電位センサアレイ

Claims (17)

1. 電気光学的効果を有し、光を単一モードで伝搬する２次元導波路である単一モード導波路と、
   前記単一モード導波路を両面から挟むように設けられた検知電極および接地電極と、
   前記単一モード導波路の一端から偏光を導入する偏光導入手段と、
   前記単一モード導波路の他端から出射される偏光の強度を測定する偏光検出手段と、
   を備え、
   前記検知電極には、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブが電気的に接続されることを特徴とする表面電位センサユニット。
2. 前記偏光導入手段は、発光素子と、前記発光素子と前記単一モード導波路の一端との間に配設された偏光子とを備える請求項１に記載の表面電位センサユニット。
3. 前記偏光検出手段は、受光素子と、前記受光素子と前記単一モード導波路の他端との間に配設された検光子とを備える請求項２に記載の表面電位センサユニット。
4. 電気光学的効果を有し、光を単一モードで伝達する２次元導波路である一対の単一モード導波路と、
   光を２つに分岐させて夫々の単一モード導波路に入射させる入射導波路と、
   夫々の単一モード導波路から出射した光を合流させて導出する出射導波路と、
   前記一対の単一モード導波路の下側に設けられた接地電極と、
   前記単一モード導波路の一方の上側に設けられた検知電極と、
   前記入射導波路に光を入射させる発光素子と、
   前記出射導波路からの光を受光する受光素子と、
   を備え、
   前記検知電極には、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブが電気的に接続されることを特徴とする表面電位センサユニット。
5. 前記入射導波路および出射導波路は１の単一モード導波路が２つに分岐した分岐導波路である請求項４に記載の表面電位センサユニット。
6. 前記入射導波路および出射導波路は何れも光を多モードで伝搬する２次元導波路である多モード導波路からなる請求項４に記載の表面電位センサユニット。
7. 基板と、
   前記基板上に形成された下側クラッド層と、
   前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、
   前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率と電気光学的効果とを有するコア層と、
   を備え、
   前記単一モード導波路は前記コア層によって形成され、
   前記検知電極は上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側クラッド層との間に形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載の表面電位センサユニット。
8. 基板と、
   前記基板上に形成された下側クラッド層と、
   前記下側クラッド層の上方に位置する上側クラッド層と、
   前記下側クラッド層と前記上側クラッド層とに挟まれ、前記上側クラッド層および下側クラッド層の何れよりも大きな屈折率と電気光学的効果とを有するコア層と、
   を備え、
   前記単一モード導波路と入射導波路と出射導波路とは前記コア層によって形成され、
   前記検知電極は上側クラッド層の表面またはその上方に、前記接地電極は前記基板と下側クラッド層との間に形成されている請求項４〜６の何れか１項に記載の表面電位センサユニット。
9. 前記多モード導波路は、前記コア層が前記上側クラッド層に向かってリブ状に突出したリブ構造の導波路である請求項７または８に記載の表面電位センサユニット。
10. 前記多モード導波路は、前記コア層が前記下側クラッド層に向かってリブ状に突出した逆リブ構造の導波路である請求項７または８に記載の表面電位センサユニット。
11. 前記下側クラッド層、上側クラッド層、およびコア層は何れも有機ポリマーから形成されている請求項７〜１０の何れか１項に記載の表面電位センサユニット。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の表面電位センサユニットと、
    前記表面電位センサユニットの検知電極に電気的に接続され、表面電位を測定しようとする被測定物に相対し、または接触するプローブと、
    を備えることを特徴とする表面電位センサ。
13. 前記プローブは導線を介して前記検知電極に接続されている請求項１１に記載の表面電位センサ。
14. 前記プローブは、被測定物の表面に相対し、または接触する側とは反対側の端部において前記検知電極に取り付けられている請求項１１に記載の表面電位センサ。
15. 前記プローブにおいて被測定物に相対し、または接触する側の端部は絶縁体で被覆されている請求項１２〜１４の何れか１項に記載の表面電位センサ。
16. 前記プローブを被測定物に押圧するプローブ押圧手段を有する請求項１２〜１５の何れか１項に記載の表面電位センサ。
17. 請求項１２〜１６に記載の表面電位センサを複数備え、
    前記表面電位センサのプローブが、表面電位を測定しようとする被測定物の表面に沿って配列されていることを特徴とする表面電位センサアレイ。

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