JP4886495B2 - 電位測定装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象の電位を非接触で測定する非接触式の電位測定装置、及び該電位測定装置を有する画像形成装置に関する。

従来、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、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の電位を適当に（典型的には均一に）帯電しておく必要がある。このため、電位測定装置を用いて感光ドラムの帯電電位を測定し、その結果を利用して感光ドラムの電位を均一に保つ様にフィードバック制御が行われている。

画像形成装置に用いられる電位測定装置として、次のものが提案されている（特許文献１参照）。図6はこの電位測定装置500の上面図(a)とB-B’断面図(b)を示す。この電位測定装置500では、支持基板501と一体に揺動体504と2本のねじりバネ502、503が形成され、揺動体504が2つの検知電極511、512を有する。揺動体504は、ねじりバネ502、503の長軸方向の中心線を結んだ中心線A-A’に対して線対称である。検知電極511、512は夫々中心線A-A’に対して対称に配置される。また、検知電極511、512は、夫々、電極配線513、514によって、支持基板501上に設置された取り出し電極515、516に接続される。更に、配線517、518によって取り出し電極515、516は差動増幅器520に接続される。

この電位測定装置500の電位測定方法について、図6(a)のB-B’断面図である図6(b)を用いて説明する。電位測定装置500は測定対象表面521に対向して設置される。測定対象表面521は、例えば、感光ドラムである。また、電位測定装置500は電気的に接地された導電性のケース522内に配置される。図6(b)中の破線は、揺動体駆動機構（不図示）によって揺動体504を揺動させた状態を示す。揺動体504を周期的に揺動することで、検知電極511、512と測定対象表面521との距離及びそれらの間の結合容量が周期的に変化させられる。これにより、測定対象表面521の電位の情報を含んだ信号電流を差動増幅器520から取り出すことができる。

また、弾性変形部により固定部に連結された振動子の共振特性を調整する手段として、ばね定数可変素子を弾性変形部に設けた光スキャナも提案されている（特許文献2参照）。
特開2004−301555号公報 特許2981600号公報

上記背景技術の電位測定装置において、使用環境の変化等により揺動体の揺動の状態が変化する可能性があり、電位測定の安定性向上の妨げになる可能性がある。例えば使用環境の温度が変化すると、揺動体を構成する材料のばね定数が変化する、或いは共振周波数が変化する場合がある。また、上記背景技術の光スキャナは、電位測定に係るものではない。

上記課題に鑑み、本発明の電位測定装置は、支持部と、支持部に支持された弾性変形部と、電位測定時に測定対象に対向して配置される、弾性変形部で可動に支持された振動子と、振動子に設置された検知電極と、振動子を駆動する駆動機構と、信号検出手段とを有する。前記信号検出手段は、検知電極に接続されて検知電極に現れる測定対象の電位の情報を含んだ電気信号を検出する。更に、弾性変形部の応力に応じて発生する振動子の振動状態の情報を含んだ電気信号を検知するための応力検知素子が設けられる。

上記構成において、前記応力検知素子に接続された応力測定手段を設け、応力測定手段が応力測定の結果に基づいて前記駆動機構を制御して前記振動子の振動状態を調整する様にできる。或いは、前記振動子の振動特性を変化させる振動特性制御素子を設けることができる。この場合、前記応力検知素子に接続された応力測定手段と前記振動特性制御素子に接続された振動特性制御手段を設け、応力測定手段が応力測定結果に基づいて振動特性制御手段を介して振動特性制御素子を制御して振動子の振動状態を調整する様にできる。

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、画像形成手段とを備え、電位測定装置より得られる信号を用いて画像形成手段が画像形成の制御を行うことを特徴とする。

本発明の電位測定装置によれば、上記の如き応力検知素子を備えるので、その電気信号に基づいて前記振動子の振動状態を検知することができる。従って、例えば、前記振動子の共振周波数の変化に前記駆動機構の駆動周波数を追従させたり、前記振動子の振動特性を調整したりすることができ、振動子の振動状態を良好に保つことができる。よって、例えば、振動子の共振運動を維持することができ、振動子の変位角ないし振れ角を最大に保つことで、高精度な電位測定が継続可能となり、電位測定装置を長時間安定に動作させることができる。また、上記電位測定装置を画像形成装置に用いることで、画像形成装置を長時間安定に動作させることができる。

以下に、図を用いて本発明による電位測定装置の実施の形態を説明する。

（第1の実施形態）
本発明の第1の実施形態の電位測定装置100の構造について図を用いて説明する。図1-1は上面図、図1-2 (a)は図1-1のA-A’断面図である。これらの図中、電位測定装置100は、MEMS技術によって作製されるチップ部131と、駆動機構を構成する電磁コイル部132とが治具133に配置される構造を有する。その構造の大きさは、例えば、縦15mm、横10mm、高さ5mmである。

チップ部131について図1-1、図1-2 (a)を用いて説明する。これらの図面では、説明のために寸法を誇張して示している。チップ部131は、振動子141、弾性変形部であるねじりバネ142、支持部である支持部材143によって構成される。振動子141は、ねじりバネ142を介して支持部材143により支持され、支持部材143は治具133に固定されている。各部の大きさは、例えば、a=1.1mm、b=1.3mm、l=1.1mm、w=0.08mmである。

振動子141、ねじりバネ142、支持部材143は基板105によって一体形成されている。基板105は、例えば、単結晶シリコンから成る。単結晶シリコンは、ヤング率が大きい、比重が小さい、塑性変形しないなど、機械的特性に優れているため、振動子141に大きい共振周波数を持たせることが可能である。基板105の表裏面には、二酸化シリコン106が成膜され、チップ部131の表裏面と基板105とが電気的に絶縁されている。二酸化シリコン106の厚さは、例えば、1μmである。

支持部材143、ねじりバネ142、及び振動子141がシリコンからなることで、半導体プロセスを用いて作製でき、高精度な加工が可能になる。これにより、支持部材143、ねじりバネ142、及び振動子141を高精度且つ比較的安価に作製することができる。

チップ部131の表面には、ねじりバネ142の中心軸を通る軸B-B’に対し対称に検知電極111、112が配置される。検知電極111、112は、二酸化シリコン106上にチタン（厚さ10nm）、白金（厚さ10nm）、金（厚さ300nm）が成膜されて形成される。検知電極111、112の大きさは、例えば、縦1.0mm、横0.5mmである。検知電極111、112は、信号検出手段を構成する差動増幅器161に接続される。

振動子141の裏面の中央には、電磁コイル部132と共に駆動機構を構成する棒状の永久磁石102が軸A-A’に沿って設置される。永久磁石102の極性は、軸B-B’を挟んで図1-2 (a)に示す様にN極とS極である。極性は、図示のものとN極、S極が逆であっても構わない。永久磁石102は、例えば、サマリウムコバルト、ネオジウム鉄ボロン等の硬磁性体を着磁した材料から構成される。

電磁コイル部132について更に説明する。本実施形態において、電磁コイル部132は電磁コイル124と電磁コイル基板123から成る。電磁コイル124はXY平面に沿って円形状に配線が巻かれており、電磁コイル電流源125から電力を供給することで、電流の方向に従って電磁コイル124の上面或いは下面にN極またはS極が現れる。電磁コイル124の配線は、銅やアルミニウムの様に低抵抗な金属で構成され、巻数は数十回から数百回程度である。電磁コイル124の大きさは、例えば、直径d=3mm、高さt=2mmである。電磁コイル基板123は、鉄やパーマロイ（登録商標）等の強磁性体からなり、電磁コイル124を支持する役割と、電磁コイル124から発生する磁場を基板123の所で遮蔽して磁場を上方に集中させる役割を持つ。

弾性変形部の応力に応じた信号を発する応力検知素子としては、ピエゾ抵抗素子150がねじりバネ142上で且つねじりバネ142の変形が最大となる部分に配置される。この変形が最大となる部分は、ねじりバネ142上の支持部材143との接続部になるべく近い箇所である。図1-2(b)は、ピエゾ抵抗素子150の拡大平面図、図1-3(a)は、図1-2(b)のC-C’ 断面図である。ピエゾ抵抗素子150は、ピエゾ抵抗151、ピエゾ抵抗電極152a、152b、152c、152dから成る。ピエゾ抵抗151は、リン等の不純物元素を基板105の単結晶シリコンに拡散させることにより作製することで、安価且つ容易に製造できる。ピエゾ抵抗151の大きさは、例えば、縦90μm、横40μmである。ピエゾ抵抗電極152c、152dは応力測定手段162に接続され、ピエゾ抵抗電極152a、152bはピエゾ抵抗電流源163に接続される。

ピエゾ抵抗素子150とねじりバネ142とが一体となっていることで、応力検知素子を容易且つ安価に作製することができる。また、応力検知素子がピエゾ抵抗素子から成ることで、半導体プロセスを用いて作製でき、高精度且つ安価に作製することができる。応力検知素子としては、シリコンなどの構造材料に、例えばリン、ホウ素などのドーパントをドープしてピエゾ効果を持たせたものを使用できる。

電位測定装置100の全体については、チップ部131と電磁コイル部132とは金属製の治具133に接着されている。振動子141の中心は、電磁コイル124の中央とXY平面上で略一致する様にアライメントされている。治具133は電気的に接地される。

次に、本実施形態の電位測定装置100の電位測定方法の原理について説明する。図1-4に示す様に、測定対象表面121に対向して電位測定装置100が設置される。測定対象表面121は、例えば、プリンタや複写機に利用される感光ドラムである。ここでは、検知電極111で検知できる電位について説明する。

本実施形態の電位測定装置100の方式では、測定対象表面121の電位は、検知電極111から取り出される電流の大きさの関数であり、次の式（1）で与えられる。
i=dQ/dt=d/dt[CV]・・・（1）
ここで、Qは検知電極111上に現れる電荷量、Cは検知電極111と測定対象表面121間の結合容量、Vは測定対象表面121の電位である。

また、この容量Cは、次の式（2）で与えられる。
C=AS/x・・・（2）
ここで、Aは物質の誘電率などに係わる比例定数、Sは検知電極111の面積、xは検知電極111と測定対象表面121間の距離である。

これらの関係を用いて、測定対象表面121の電位Vを測定するのであるが、検知電極111上に現れる電荷量Qを正確に測定するには、検知電極111と測定対象表面121との間の容量Cの大きさを周期的に変調する必要がある。

ここでは検知電極111と測定対象表面121との距離xを周期的に変化させることにより、容量Cを周期的に変化する様にしている。振動子141の適当な位置に検知電極を配置し、振動子141を揺動させることで測定対象表面121と検知電極との距離xを周期的に変化させ、容量Cの変調を行っている。

次に、振動子141の駆動方法に関して説明する。電磁コイル電流源125から電磁コイル124に電流を流すと、電磁コイル124の上面及び下面に電磁コイル124に流れる電流に対応した磁極が発生する。図1-4では、上面がN極、下面がS極とした。発生する磁界Hは、電磁コイル124を流れる電流Iと、電磁コイル124の巻数Nとの積に比例する。磁界Hは永久磁石102の磁極に作用し、振動子141を軸B-B’を中心に揺動させる。このとき発生するトルクTは永久磁石102の磁化mと磁界Hの積として表される。従って、発生するトルクTは電磁コイル124を流れる電流Iに比例することが分かる。

図1-4は、上記方法により振動子141を揺動させた状態を示す。振動子141を周期的に揺動することで検知電極111、112と測定対象表面121との距離及び容量を周期的に変化させ、測定対象表面121の電位情報を含んだ信号電流を発生させることができる。本実施形態の構成では、検知電極111と検知電極112とが発生する信号電流は、夫々、測定対象表面121の表面電位情報を含み位相が180度異なる信号となる。これら2つの信号を差動増幅器161を用いて処理することで、出力信号をほぼ2倍にし、且つ検知電極111と検知電極112に影響を与える雑音を取り除くことができる。この測定方法は、上記測定原理の方法と本質的に同じであるが、2つの信号の差分を取ることが異なる。

このとき、電磁コイル124に電磁コイル電流源125を用いて交流を流すことで、振動子141を連続的に振動させられ、また、振動子141の共振周波数で駆動することにより振動子141の振幅量を大きくとることができる。つまり、上記容量の変化が大きくなり、測定対象表面121の電位情報を含んだ信号電流を大きくすることができる。ここでは、共振周波数は約20kHzである。

振動子141及びねじりバネ142が共振状態であることで、これらをより少ない駆動力で効率良く振動させることができる。そのため、駆動のために消費するエネルギーを節約でき且つ装置の構成を小型化することができる。

次に、ピエゾ抵抗素子150による振動子141の振れ角変位検出方法について説明する。駆動機構により振動子141が揺動されるとき、ねじりバネ142がねじれることにより剪断応力が発生する。ピエゾ抵抗151は、応力の大きさに応じて電気抵抗が変化する特性を持ち、ピエゾ抵抗素子150の様な構成において、ピエゾ抵抗電極152a-152b間に電流iを流すと、ピエゾ抵抗電極152c-152d間に発生する電位差Eは次の式(3)で与えられる。

E=iρσπ ・・・(3)
ここで、Eは電位差、iは電流、ρは電気抵抗、σは応力、πはピエゾ抵抗係数を表す。

つまり、電位差Eは応力σの関数であり、応力測定手段162で電位差Eを測定することで応力を検知することができる。また、ピエゾ抵抗係数πはシリコンの結晶方位に関して異方性を持つ。本実施形態の場合、ピエゾ抵抗電極152a-152b間の電流方向を<1-11>方向に、ピエゾ抵抗電極152c-152d間の電場方向を<110>方向に合わせる。このことにより、ねじりバネ142表面の剪断応力に対するピエゾ抵抗係数πが最大となり、振動子141の変位のみを高感度に検知することが可能になる。

次に、ピエゾ抵抗素子150をブリッジ型ピエゾ抵抗素子180に置き換えた場合の、ねじりバネ142の応力検知方法について説明する。図1-3(b)は、ブリッジ型ピエゾ抵抗素子180の上面図、図1-3(c)は図1-3(b)のC-C’断面図である。ブリッジ型ピエゾ抵抗素子180は、少なくとも4つのブリッジ型ピエゾ抵抗181とブリッジ型ピエゾ抵抗電極182a、182b、182c、182dとから成り、図1-3(b)の様にホイートストンブリッジとして配置する。ブリッジ型ピエゾ抵抗素子180は、ピエゾ抵抗素子150と同様にねじりバネ142の応力が最大となる部分に配置し、応力測定手段162とピエゾ抵抗電流源163に接続される。

ピエゾ抵抗電流源163によりブリッジ型ピエゾ抵抗電極182a-182b間に電流iを流したとき、ブリッジ型ピエゾ抵抗電極182c-182d間に発生する電位差Eは上記(3)式で与えられる。よって、ピエゾ抵抗素子150の場合と同様に、応力測定手段162でねじりバネ142の応力を検知することが可能である。更に、ブリッジ型ピエゾ抵抗素子180の配置では、p方向とq方向との剪断応力の差を検知するため、温度変化による電気抵抗ρの変化の影響を受けることなく検知することでき、振動子141の変位をより高感度に検知することができる。

こうして、エゾ抵抗素子を少なくとも4個設け、これらをブリッジ構造となる様に配置することで、応力検知の際に生じる温度変化に対する出力変化を防ぐことができる。

本実施形態において振動子141の振動特性が変化した際の、駆動機構を成す電磁コイル124の電流源125の制御方法について説明する。ピエゾ抵抗素子150の電位差Eを測定することによって、ねじりバネ142表面の剪断応力の大きさを検知でき、振動子141の振れ角変位を知ることができる。例えば、振動子141が正弦振動しているとき、ピエゾ抵抗素子150の電位差Eは正弦振動する。これにより、電位測定装置100の動作中における振動子141の振幅を知ることができる。

電位測定装置100の動作中、使用環境の変化などにより、ねじりバネ142の共振周波数が電磁コイル電流源125の駆動信号の周波数からずれる可能性がある。これにより、電磁コイル124の駆動力が一定であるにも係らず振動子141の振幅が減少する。そこで、電磁コイル電流源125の駆動信号の周波数を適当に変化させ、電位差Eの振幅が最大となる様に調整する。こうして、ねじりバネ142の共振周波数と駆動信号の周波数とが一致し、電位測定装置100は、測定対象の電位測定に最適な動作を続けることができる。

続いて、図1-1におけるC-C’断面を表す図2を用いて、チップ部131の作製プロセスを説明する。但し、プロセスを分かりやすくするために、寸法は誇張して示してある。

（1）材料が単結晶シリコンである基板105（厚さ：200μm程度）の両面に、熱酸化炉等を用いて、二酸化シリコン106を1μｍ程度成膜する。表面及び裏面に対して、フッ化水素酸等によるウェットエッチング等を用いてパターニングする（図2(a)）。

（2）表面に対して、熱拡散法またはイオン打ち込み法を用いて、リン等の不純物をドープし、ピエゾ抵抗151を作製する（図2(b)）。

（3）表面の二酸化シリコン106及びピエゾ抵抗151上に、電極として、チタンを100Å程度成膜した後、白金を100Å程度成膜し、更に、金を3000Å程度成膜する。成膜は、蒸着、スパッタ等で行う。次に、ヨード液を用いたウェットエッチングまたは反応性イオンエッチングやイオンミーリングを用いてパターニングし、検知電極111、112及びピエゾ抵抗電極152とする（図2(c)）。

（4）基板105の表面に、貼付基板（不図示）を貼り付ける。次に、裏面より、シリコンである支持基板105に、二酸化シリコン106をマスクとして誘導結合型プラズマ及びＢＯＳＣＨプロセスを用いたＲＩＥを行い、開口126を形成する。このとき、貼付基板はエッチングストッパーとして機能する。その後、貼付基板を除去する（図2（ｄ））。ここで、ＢＯＳＣＨプロセスとは、エッチングガスと側壁保護用ガスを交互に供給し、エッチングと側壁保護を切換えることにより、シリコンを選択的に且つ異方性良くエッチングする方式である。本方式のＲＩＥを用いることで、側壁が垂直な開口126を形成することができる。

（5）直径0.2mm、長さ1.0mmの硬磁性体の線材を接着し、更に磁化することで永久磁石102とする(不図示)。

こうした作製方法では、ねじりバネに応力検知素子を形成する工程と、振動子に検知電極を形成する工程と、支持部材に開口を形成する工程と、振動子に磁界発生手段を形成する工程とを含み、また半導体プロセスを用いて装置を作製できる。そのため、高精度且つ安価に振動子、ねじりバネ、及び検知電極を形成することができ、安定性の高い電位測定装置を提供できる。

以上に説明した様に、本実施形態の構成によれば、ねじりバネに、応力に応じた電気信号を発生する応力検知素子を設け、応力検知素子に接続された応力測定手段を備えることで、振動子の共振周波数の変化に駆動周波数を追従させることができる。また、振動子の共振運動を維持することができ、振動子の振れ角変位をほぼ最大に保つことで、高精度な電位測定が継続可能となり且つ長時間安定に動作させることができる。

ところで、上記構成において、検知電極は1つであっても構わない。この場合、1つの検知電極は、ねじれ運動の中心軸（軸B-B’）に対して一方側に寄って配され、検知電極からの電気信号の処理法は上記のものとは異なる。具体的には、検知電極が1つである場合、前記差動増幅器161を用いた信号処理の効果が得られなくなる。また、ねじりバネは振動子を挟んで両側に2つ設ける構成とすることもできる。この場合、応力検知素子を両方のねじりバネの同一部分に設けて、これらからの電気信号に基づいて（例えば、平均を取る）振動子の振れ角変位を検知することもできる。

1つの検知電極を配する構成では、支持部材に接続する弾性変形部（この場合は、ねじり変形ではなく撓み変形する）の根元部を横切る紙面内の軸をほぼ中心に図1の紙面にほぼ垂直な方向に振動子をたわみ駆動させる振動形態を採ることもできる。ここでは、振動形態に適応する様に弾性変形部の幅を大きくすることができる。この場合の構成でも、変形が最大となる弾性変形部の根元部に応力検知素子を設け、これからの電気信号に基づいて振動子の振れ角変位を検知する。ただし、応力検知素子の設け方は、応力の発生態様に応じて変更する必要がある。こうした変形例は、後述する他の実施形態でも可能である。

（第2の実施形態）
本発明の第2の実施形態の電位測定装置200の構造について図面を用いて説明する。図3は電位測定装置200の上面図である。第2の実施形態でも、電位測定装置200は、チップ部131、電磁コイル部132、及び冶具133とから成る。チップ部131、電磁コイル部132、及び冶具133については、基本的な構成、駆動方法、作製方法は前述の第1の実施形態と同じである。

第2の実施形態では、1つのピエゾ抵抗素子150を使って、振動子141の振動変位検出とねじりバネ142の振動特性制御とを行う。その方法は次の様になる。ねじりバネ142表面の剪断応力の大きさを検知するとき、第1の実施形態で説明した様にピエゾ抵抗電流源163からピエゾ抵抗素子150に電流を流す。ピエゾ抵抗素子150に電流を流すとジュール熱が発生するため、ねじりバネ142は加熱される。ねじりバネ142の共振周波数は温度によって変化するため、ピエゾ抵抗素子150に流す電流の大きさを制御することで、ねじりバネ142を所望の共振周波数に調整することができる。

振動子141の振動特性が変化した際の、ピエゾ抵抗電流源163の制御方法について説明する。電位測定装置100の動作中における振動子141の振幅を知る原理は、第1の実施形態で説明した通りである。電位測定装置100の動作中、使用環境の変化などにより、ねじりバネ142の共振周波数が電磁コイル電流源125の駆動信号の周波数からずれる可能性がある。これにより、電磁コイル124の駆動力が一定であるにも係らず振動子141の振幅が減少する。ねじりバネ142の共振周波数が変化する原因の1つは、ねじりバネ142の温度変化によるバネ定数の変化である。これらについても、第1の実施形態で説明した通りである。

そこで、第2の実施形態では、応力測定手段162による制御に基づいてピエゾ抵抗電流源163が出力する電流値を適当に変化（増減）させ、ピエゾ抵抗素子150の発生するジュール熱を変化させることで、振動子141の振動振幅が最大となる様に調整する。これにより、ねじりバネ142の共振周波数が補正され、駆動機構の駆動信号の周波数と一致するため、電位測定装置100は電位測定に最適な動作を続けることができる。

第2の実施形態では、ピエゾ抵抗素子150を、振動子141の振動特性を変化させる振動特性制御素子としても用い、ピエゾ抵抗電流源163を、この振動特性制御素子に接続された振動特性制御手段としても用いる。こうして、上述した様に、振動子141の共振周波数が変化したときに、これを所望の共振周波数に補正する。

第2の実施形態では、応力検知素子150、振動特性制御素子150、及びねじりバネ142が一体となっている。このことで、応力検知素子、振動特性制御素子、及びねじりバネを容易且つ安価に作製することができる。勿論、ピエゾ抵抗素子150とは別体で、振動特性制御素子を設けることもできる。こうした例としては、支持部材143、或いは支持部材を固定する冶具133の所に、発熱素子、冷却素子などを設ける方法がある。前記発熱素子の具体例としては電気抵抗素子等が、前記冷却素子の具体例としてはペルチェ素子等が挙げられる。

また、第2の実施形態では、ピエゾ抵抗素子150に、振動子141の振動特性を制御する振動特性制御手段としてのピエゾ抵抗電流源163（これは応力測定手段162に繋がっている）が接続されている。このことで、振動特性の変化検出と、振動特性の補正とを1つの素子で行うことができ、装置の構成を簡易にすることができる。勿論、ピエゾ抵抗電流源163とは別に、上記振動特性制御手段の電流源を設けることもできる。

また、第2の実施形態では、振動特性制御手段は電流供給回路163であることで、振動特性の補正を容易に行うことができる。

（第3の実施形態）
本発明の第3の実施形態の電位測定装置300の構造について図面を用いて説明する。図4は電位測定装置300の上面図である。第3の実施形態でも、電位測定装置300は、チップ部131、電磁コイル部132、及び冶具133とから成る。ここでも、チップ部131、電磁コイル部132、及び冶具133については、基本的な構成、駆動方法、作製方法は前述の第1の実施形態と同じである。

第3の実施形態では、参照用ピエゾ抵抗素子170が設けられる。これについて説明する。参照用ピエゾ抵抗素子170の電極等の構成はピエゾ抵抗素子150と同様である。参照用ピエゾ抵抗素子170は、支持部材143上の応力のかからない部分に配置される。参照用ピエゾ抵抗素子170は、参照用応力測定手段164とピエゾ抵抗電流源163とに接続され、電位差E’を測定する。参照用ピエゾ抵抗素子170は応力のかからない部分に配置されているため、電位差E’の変化は応力以外の要因によるものであり、これはノイズ成分であると見なすことができる。従って、電位差Eと電位差E’との差を求めることによって、ノイズ成分を相殺することができ、ねじりバネ142の剪断応力を、より高感度に検知することができる。ここでは、ピエゾ抵抗電流源163は、ピエゾ抵抗素子150と参照用ピエゾ抵抗素子170に接続され、これらに、応力測定手段162による制御に基づいて、同じ電流を供給し、振動子141の振動特性を制御する。或いは、応力測定手段162を電磁コイル電流源125に繋いで、第1の実施形態と同じ方法で駆動機構の駆動信号を調整してもよい。

第3の実施形態によれば、
ピエゾ抵抗素子を複数有することで、外部からのノイズを低減し、ねじりバネ142の応力を、より高感度に検知することができる。

（第4の実施形態）
図5は、本発明の電位測定装置が組み込まれた画像形成装置の模式的な構成の一例を示す図である。この画像形成装置は、本発明の電位測定装置901、信号処理装置902、高電圧発生器903、帯電器904、露光装置905、トナー供給系906、被転写物送りローラー908、ドラム（本明細書で測定対象表面と記載するものの一例）907を有し、被転写物909に画像を形成する。

動作は次の様に行われる。（1）帯電器904でドラム907を帯電する。（2）露光装置905で帯電部を露光し、潜像を得る。（3）トナー供給系906で潜像にトナーを付着させ、トナー像を得る。（4）トナー像を被転写物909に転写する。（5）被転写物909上のトナーを溶融して、固着させる。これらの工程を経て画像形成が達成される。この構成では、帯電器904、露光装置905、感光ドラム907などが画像形成手段を構成する。

この際、ドラム907の帯電状態を電位測定装置901で測定し、その結果を信号処理装置902で処理して、必要に応じて高電圧発生器903にフィードバックをかける。このことにより、安定したドラム帯電を実現し、安定した画像形成を実現できる。これら一連の作業を行っていく中で、上記振動子の振動特性が変わったりすると、正確にドラム907の帯電状態を検知できない。本発明の電位測定装置を用いることで、振動子の振動特性の変化が起こっても、それを調整したり、それに合わせて駆動機構からの駆動信号を制御したりすることができるので、正確にドラム907の帯電状態を検知できる。こうして、感光ドラム907の安定した帯電が実現され、長時間安定した画像形成が達成される。

本発明の電位測定装置の第1の実施形態を説明する上面図である。 (a)は図1-1のA-A’断面図、(b)はピエゾ抵抗素子の拡大上面図である。 (a)はピエゾ抵抗素子の拡大断面図、(b) はブリッジ型ピエゾ抵抗素子の拡大上面図、(c)は ブリッジ型ピエゾ抵抗素子の拡大断面図である。 第1の実施形態の電位測定方法を説明する断面図である。 本発明の電位測定装置の作製方法の例を説明する断面図である。 本発明の電位測定装置の第2の実施形態を説明する上面図である。 本発明の電位測定装置の第3の実施形態を説明する上面図である。 本発明の画像形成装置の実施形態を説明する図である。 電位測定装置の背景技術を説明する図である。

符号の説明

100、200、300、901 電位測定装置
102 駆動機構（永久磁石）
111、112 検知電極
124 駆動機構（電磁コイル）
125 駆動機構、振動特性制御手段（電磁コイル電流源）
141 振動子
142 弾性変形部（ねじりバネ）
143 支持部（支持部材）
150、180 応力検知素子、振動特性制御素子（ピエゾ抵抗素子、ブリッジ型ピエゾ抵抗素子）
161 信号検出手段
162 応力測定手段
163 振動特性制御手段（ピエゾ抵抗電流源）
164 参照用応力測定手段
170 参照用ピエゾ抵抗素子

Claims (9)

1. 支持部と、前記支持部に支持された弾性変形部と、電位測定時に測定対象に対向して配置される、前記弾性変形部で可動に支持された振動子と、前記振動子に設置された検知電極と、前記振動子を駆動する駆動機構と、前記検知電極に接続されて前記検知電極に現れる前記測定対象の電位の情報を含んだ電気信号を検出する信号検出手段と、前記弾性変形部の応力に応じて発生する前記振動子の振動状態の情報を含んだ電気信号を検知する応力検知素子とを有することを特徴とする電位測定装置。
2. 前記応力検知素子に接続された応力測定手段が設けられ、前記応力測定手段は応力測定の結果に基づいて前記駆動機構を制御して前記振動子の振動状態を調整することを特徴とする請求項1記載の電位測定装置。
3. 前記振動子の振動特性を変化させる振動特性制御素子が設けられることを特徴とする請求項1記載の電位測定装置。
4. 前記応力検知素子に接続された応力測定手段と前記振動特性制御素子に接続された振動特性制御手段が設けられ、前記応力測定手段は応力測定結果に基づいて前記振動特性制御手段を介して前記振動特性制御素子を制御して前記振動子の振動状態を調整することを特徴とする請求項3記載の電位測定装置。
5. 前記応力検知素子は、前記振動特性制御素子を兼ねることを特徴とする請求項4記載の電位測定装置。
6. 前記応力検知素子を少なくとも4つ備え、前記4つの応力検知素子がブリッジ構造となる様に配置されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電位測定装置。
7. 応力検知素子が複数備えられ、前記複数の応力検知素子のうちの少なくとも1つは、前記弾性変形部に設けられ、前記複数の応力検知素子のうちの少なくとも1つは、前記支持部に設けられることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の電位測定装置。
8. 前記応力検知素子はピエゾ抵抗素子から成ることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の電位測定装置。
9. 請求項1乃至8のいずれかに記載の電位測定装置と、画像形成手段とを有し、
   前記電位測定装置より得られる測定対象の電位の情報を含んだ信号を用いて画像形成手段が画像形成の制御を行うことを特徴とする画像形成装置。

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