JP6269153B2 - 電位検出装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を利用した画像形成装置に用いられる像担持体としての感光体の表面電位を検出する為に好適な電位検出装置に関し、特に電位検出装置を構成するカンチレバーの先端に誘起される鏡像電荷量を増大させ、且つ表面電位の検出感度を向上させる電位検出装置に関する。

近年、電子写真方式を利用したプリンターや、デジタル複合機等の画像形成装置においては、長期にわたり安定して高い画質を維持できる製品が求められている。
一方で、画像形成装置を構成する各部材は経時において性能が劣化する。各部材の中でも、像担持体としての感光体の光疲労による劣化は画質への影響が大きい。ここで、光疲労とは、感光体が繰り返し書き込み光を受光することで、残留電位が上昇して感光体によって担持された静電潜像が現像されにくくなる現象のことである。
特に、画像形成が高速化された装置では、画像形成後に行われる感光体の除電から、次回の画像形成プロセスにおける帯電までの時間が短いため、感光体が正常な状態となるまでの回復時間を十分に確保できない場合がある。回復時間を十分に確保できないまま画像形成を続けると、光疲労が生じた箇所において濃度ムラが発生して画質が著しく低下することとなる。
仮に感光体の光疲労が進行した場合であっても書き込み光量の調整をすれば、ある程度は初期画質を維持することができる。また、劣化した感光体を早期に交換すれば、光疲労による濃度ムラの問題は生じない。しかし、上記対策を施すためには光疲労の進行状況を把握する必要があるが、これを把握することは容易ではない。
本発明の発明者は原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に用いられるカンチレバーを応用することで上記の問題を解決できることを見いだした（特許文献１）。即ち、感光体の表面電荷と、感光体の表面電位によってカンチレバーに誘起される鏡像電荷とのクーロン力が発生する。このときのカンチレバーの撓み量を検出することで、感光体の表面に実際に印加されている電位（表面電位）を評価できることを発見した。

しかし、従来の光テコ方式と呼ばれる力計測方法はカンチレバー背面にレーザ光を照射し、カンチレバーに力が作用したときのカンチレバーの反りや、たわみを反射光の移動で検出するというものである。したがって、光テコ方式による電位検出装置はレーザ発生源をはじめとする光学系が必要であり、画像形成装置の内部に搭載するためには、よりコンパクトな構成とする必要がある。
ここで、近年においては、特許文献２に記載されているように、表面にピエゾ抵抗体が形成されたピエゾ内蔵型カンチレバー（或いは、自己検知カンチレバーとも呼ばれる）が実用化されている。ピエゾ内蔵型カンチレバーは、ピエゾ抵抗体の抵抗値の変動を計測することによってカンチレバーの撓み量を検出するものである。上記方式のカンチレバーであれば、光学系が必要ない為、コンパクトな構成にすることができ、画像形成装置の内部に搭載するには好適である。

ピエゾ内蔵型カンチレバーにおいて表面電位の検出感度を高めるためには、カンチレバーの幅を狭くしてカンチレバーが大きく撓むようにすることが考えられる。しかし、カンチレバーの幅を狭くするとカンチレバー先端に誘起される鏡像電荷量が低下するため、電位の検出感度が所望の通りには向上しないという問題がある。逆に、カンチレバーの幅を広げればカンチレバー先端に誘起される鏡像電荷量を増大させることができるが、カンチレバーが撓みにくくなり、結果として電位の検出感度が所望の通りには向上しないことになる。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、カンチレバーに誘起される鏡像電荷量を増大させ、対象部材の表面電位の検出感度を向上させうる電位検知装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象部材の表面電位を検出する電位検出装置であって、一部を支持手段によって支持された第一梁部、後部適所を前記第一梁部の他部によって支持されると共に、前記第一梁部と交差する方向に伸びる第二梁部、及び前記第二梁部の先部と前記対象部材との間に生じるクーロン力による前記第一梁部の捩れを抵抗値として出力するピエゾ抵抗体を備えたカンチレバーと、前記ピエゾ抵抗体が出力する抵抗値に基づいて前記対象部材の表面電位を導出する演算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の電位検出装置のカンチレバーは、第一梁部に対して交差する方向に伸びる第二梁部を備えているので、第二梁部の先部と対象部材との間に生じるクーロン力によるカンチレバー変形方向を、たわみ方向から、捩れ方向に変換することができる。このため、第二梁部の先部に誘起される鏡像電荷量と、カンチレバーによる対象部材の表面電位の検出感度がトレードオフの関係とならず、電位検出感度を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る電位検出装置を備える画像形成装置の要部の概略構成を示す図である。 （ａ）はタンデム型のフルカラー画像形成装置の概略構成を示し、（ｂ）はリボルバタイプのフルカラー画像形成装置の概略構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は電位検出装置を示す図である。 感光体の表面電位とカンチレバーに作用する力の関係を示す図である。 感光体の使用初期と光疲労時の表面電位と露光量との関係を示す図である。 本発明の第一の形態に係るカンチレバーの斜視図であり、（ａ）は撓んでいない状態を示す図であり、（ｂ）は撓んだ状態を示す図である。 本発明の第二の形態に係るカンチレバーの斜視図である。 本発明の第三の形態に係るカンチレバーの斜視図である。 本発明の第四の形態に係るカンチレバーの斜視図である。 転写ベルトの表面電位を検出する電位検出装置を備えた画像形成装置の要部の概略構成を示す図である。 帯電ローラの表面電位を検出する電位検出装置を備えた画像形成装置の要部の概略構成を示す図である。 自己検知型ＳＰＭプローブ一例を示した平面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
〔画像形成装置〜１〕
本発明の一実施形態に係る電位検出装置を備える画像形成装置の要部の概略構成について図１
を参照して説明する。
画像形成装置１は、本体筐体内に、像担持体としての感光体２０（像担持体）と、感光体２０の周囲に順次配置された帯電部３０と、露光部４０と、本実施形態に係る電位検出装置１０のセンサ部１３と、現像部５０と、転写部６０と、ファーブラシ７０と、クリーニングブレード８０と、感光体除電部９０とを備えている。
感光体２０は図１中の時計周りに回転し、帯電部３０が回転する感光体２０の表面を一様に帯電させる。露光部４０は、画像データに基づいて変調されたレーザ光を感光体２０に照射して静電潜像を形成する。現像部５０は、静電潜像を担持する感光体２０にトナーを付着させて現像する。

画像形成装置１は、複数枚の記録紙を収納する給紙カセットを備えている。給紙カセット内の記録紙は、給紙ローラによりレジストローラ対へ１枚ずつ送り出される。そして、記録紙は、レジストローラ対によりタイミング調整された後、転写部６０と感光体２０との間に送り出される。
転写部６０においては、感光体２０と転写部６０との間に搬送されてきた記録紙に、感光体２０が担持するトナー画像を転写する。トナー画像の転写された記録紙は定着部に搬送される。
定着部は、内蔵ヒータにより所定の定着温度に加熱される定着ローラと、定着ローラに所定圧力で押圧される加圧ローラとを備え、転写部６０から搬送されてきた記録紙を加熱、及び加圧して、記録紙上のトナー画像を記録紙に定着させた後、排紙トレー上に排出する。

さらに画像形成装置１は、転写部６０においてトナー画像を記録紙に転写した後の感光体２０をさらに回転させ、ファーブラシ７０及びクリーニングブレード８０からなるクリーニング部にて、感光体の表面に残留するトナーを除去する。
その後、感光体２０は感光体除電部９０による除電により残留電位をキャンセルされ、次回の画像形成プロセスに供される。
なお、電位検出装置１０については、後に詳しく説明する。

〔画像形成装置〜２〕
次に、本発明の一実施形態に係る電位検出装置を適用可能な他の画像形成装置の要部の概略構成について図２を参照して説明する。図２（ａ）はタンデム型のフルカラー画像形成装置１００の概略構成を示し、図２（ｂ）はリボルバタイプのフルカラー画像形成装置２００の概略構成を示したものである。なお、上述した本実施形態の画像形成装置１と同様の構成については説明を省略する。
図２（ａ）に示すように、タンデム型のフルカラー画像形成装置１００は、本体筐体内に、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｋ（ブラック）のトナー像を夫々形成する画像形成部１０１Ｃ、１０１Ｍ、１０１Ｙ、１０１Ｋを有している。各画像形成部１０１は、図２（ａ）中の時計周りに回転駆動される像担持体１０２と、像担持体１０２の表面を一様に帯電する帯電部１０３と、像担持体１０２に静電潜像を形成する露光部１０４と、静電潜像を現像する現像部１０５と、中間転写部１０７にトナー像を転写後の像担持体１０２の表面をクリーニングするクリーニング部１０６と、を備えている。
画像形成部１０１Ｃ、１０１Ｍ、１０１Ｙ、１０１Ｋは、中間転写部１０７の走行方向に沿って順に、タンデム型に配置されている。像担持体１０２が担持する各色トナー像は、図２（ａ）中の矢印方向に走行する中間転写部１０７に順次重ねて転写されて、中間転写部１０７にはカラー画像が形成される。中間転写部１０７が担持するカラー画像は、中間転写部１０７においてタイミングを合わせて搬送されてきた記録紙に転写される。

図２（ｂ）に示すように、リボルバ型のフルカラー画像形成装置２００は、１つの像担持体２０２と、像担持体２０２の周囲に順次配置されたクリーニング部２０１と、帯電部２０３と、露光部２０４とを備えている。更にフルカラー画像形成装置２００は、像担持体２０２の周囲にリボルバ状に配置されて。色毎に設けられた現像装置２０５Ｃ、２０５Ｍ、２０５Ｙ、２０５Ｋを備えている。夫々の現像装置２０５Ｃ、２０５Ｍ、２０５Ｙ、２０５Ｋは、像担持体２０２に対して接離可能に構成されており、像担持体２０２に接触した１の現像装置２０５のみが像担持体２０２表面の静電潜像を現像する。例えば、像担持体２０２の表面には、まずＣ用の静電潜像が形成され、Ｃ用の現像装置２０５ＣによってＣトナー像として現像された後、Ｃトナー像は中間転写部２０６に一次転写される。このとき、二次転写部２０７は中間転写部２０６から離間した位置にある。以降、Ｍ、Ｙ、Ｋ用の静電潜像の形成と現像が順次行われて、各色トナー像が順次中間転写部２０６に転写されることにより、中間転写部２０６にカラートナー像が形成される。中間転写部２０６が担持するカラートナー像は、二次転写部２０７においてタイミングを合わせて搬送されてきた記録紙に転写される。
上記フルカラー画像形成装置１００、２００においては、露光部よりも像担持体の走行方向下流側に本実施形態に係る電位検出装置１０のセンサ部１３を配置することができる。

上述した各画像形成装置に搭載される部材の１つとしての像担持体には電子写真感光体を用いることができる。電子写真感光体はトナー画像を記録紙または中間転写部に転写するため、トナーに対して大きな付着力を持つことは好ましくない。電子写真感光体としては、導電性支持体上に少なくとも中間層と、感光層を有していれば、上記以外のその他の層が形成されていてもよい。

〔電位検出装置〜センサ部〕
本発明の一実施形態に係る電位検出装置１０の概略構成について図１及び図３を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｂ）は電位検出装置を示す図である。
電位検出装置１０は、駆動機構であるピエゾ抵抗体１２が一体化されたピエゾ内蔵型カンチレバー（以下、単に「カンチレバー」という）１１を備えたセンサ部１３と、センサ部１３からの信号（カンチレバーの抵抗変化を示す信号）を処理して感光体２０の表面電位を導出する演算部１４とを備えている。

図３（ａ）に示すように、センサ部１３は、カンチレバー１１の先端部を、感光体２０の表面から略垂直方向に所定距離（以下『ギャップ』とする）を空けた状態にて設置される。また図１に示すように、センサ部１３を露光部４０の下流側に設置することで、作像プロセスに悪影響を及ぼさずに感光体の表面状態を検知できる。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、複数のカンチレバー１１を支持部材１６（支持部）等によって支持すると共に、複数のカンチレバー１１を感光体２０の長手方向に沿って所定の間隔にて設置する。特に、ピエゾ内蔵型のカンチレバー１１を用いた場合は、センサ部１３のサイズを小さくしつつ、感光体２０の長手方向に沿って多数のカンチレバー１１を配置できるので、感光体２０の長手方向における電位ムラを検知することができる。
感光体２０の長手方向における電位ムラの検出精度は、カンチレバー１１の配置間隔と関係がある。カンチレバー１１の配置間隔を狭くするほど電位ムラの検出精度が高くなる。逆に、カンチレバー１１の配置間隔を広げるほど電位ムラの検出精度は落ちるものの、設置するカンチレバー１１の総数を抑制できるため、コストを低減することができる。

図３（ｃ）に示すように、センサ部１３としてカンチレバー１１を一次元アレイ状に配置したアレイ構造のものを用いることも有効である。
センサ部１３をアレイ構造とすることで、一部のカンチレバー１１の破損や性能劣化が発生した際にも、他の正常なカンチレバーを用いて継続的に感光体の表面電位を検出し続けることができる。カンチレバーアレイを構成するカンチレバー１１の数は、多い方が破損等のリスク許容度が大きくなる。一方、カンチレバー１１の製造コストを抑える観点から３〜１０本程度のカンチレバー１１で構成するのが好適である。

ピエゾ内蔵型カンチレバーを用いて行う感光体表面の鏡像力の検出は、基本的に原子間力顕微鏡を用いた手法と同じである。ここで、具体的な測定行為について説明する。まず、ピエゾ内蔵型カンチレバーを、感光体の表面との間に一定のギャップを設けて設置する。こうすることで、感光体の表面電荷と、感光体の表面電位によってカンチレバーに誘起される鏡像電荷とのクーロン力が発生する。このとき、ピエゾ内蔵型カンチレバーの先端が感光体側に引き寄せられる。このときのピエゾ内蔵型カンチレバーのたわみ量をモニターすることで、感光体の表面の電位を測定することができる。

また、ピエゾ内蔵型カンチレバーのバネ定数は数〜数十Ｎ／ｍに限られている為、検出対象の表面電位に対して適切なギャップを設定することが重要である。図４に、感光体の表面電位とカンチレバーに作用する力の関係を示す。感光体の表面電位は、数十から数百Ｖである。例えばＳＩＩナノテクノロジー社（現日立ハイテクサイエンス）製の自己検知カンチレバー≪幅５０μｍ・長さ４００μｍ≫のように、４Ｎ／ｍのバネ定数のカンチレバーを用いる場合、検出可能な力範囲は数〜数百ｎＮであるため、感光体表面とカンチレバーとのギャップは１００〜３００μｍに設定するのが良い。

〔ピエゾ内蔵型カンチレバー〕
本実施形態のセンサ部１３を構成するピエゾ内蔵型カンチレバーについては、例えばＳＰＭプローブを用いることができる。ＳＰＭプローブの概略構成と作用について図１２を参照して説明する。図１２は、自己検知型ＳＰＭプローブ７００の一例を示した平面図である。
自己検知型ＳＰＭプローブ７００は、先端に探針（チップ）７１２を設けたカンチレバー７０２と、カンチレバー７０２の表面に配置されたピエゾ抵抗体７２２、７２４とを備えている。試料表面と探針との間の原子間力（引力または斥力）によってカンチレバー７０２が変形し、ピエゾ抵抗体７２２、７２４の抵抗値を変動させる。自己検知型ＳＰＭプローブ７００は、この抵抗値をカンチレバー７０２の変形量として検出するものである。
自己検知型ＳＰＭプローブ７００は、先端に探針７１２を設けたカンチレバー７０２を支持部７０４によって支持した構成である。カンチレバー７０２の基端部には、支持部７０４に向かって略平行に延在する２つの連結部７０６、７０８を有し、カンチレバー７０２は連結部７０６、７０８において支持部７０４と連結されている。
カンチレバー７０２の基端部から連結部７０６、７０８を介して支持部７０４の一部に至る部位には、概略Ｌ字状にピエゾ抵抗体７２２、７２４が形成されている。なお、以下ではピエゾ抵抗体７２２、７２４が形成されている部分を含む特定部位を屈曲部と表現する。カンチレバー７０２及びピエゾ抵抗体７２２、７２４は、カンチレバー７０２の長手方向（図中上下方向）に探針７１２を通過する線を中心軸として、両対称に形成される。

ピエゾ抵抗体７２２、７２４上および支持部７０４上には、絶縁層が形成されている。なお、図１２においては、図を簡略化して理解を容易にするため、絶縁層を図示していない。
絶縁層上には、配線としての導電層７２６、７２８が形成されている。導電層７２６、７２８は、ピエゾ抵抗体７２２、７２４の抵抗値を読み出すための配線である。導電層７２６、７２８は、カンチレバー７０２の基端部から連結部７０６、７０８を通過して支持部７０４まで形成されている。導電層７２６、７２８の一端は、カンチレバー７０２の基端部に位置するピエゾ抵抗体７２２、７２４と重なる部位に夫々配置され、導電層７２６、７２８の他端は、ピエゾ抵抗体７２２、７２４とは重ならない支持部７０４上に夫々配置されている。
導電層７２６の一端には、下層に位置するピエゾ抵抗体７２２と導電層７２６とを電気的に接続するメタルコンタクト部７４２が形成されている。同様に、導電層７２８の一端には、下層に位置するピエゾ抵抗体７２４と導電層７２８とを電気的に接続するメタルコンタクト部７４４が形成されている。

更に絶縁層上には、配線としての導電層７３２、７３４が形成されている。導電層７３２、７３４は、ピエゾ抵抗体７２２、７２４の抵抗値を読み出すための配線である。導電層７３２、７３４の一端は、支持部７０４に位置するピエゾ抵抗体７２２、７２４と重なる部位に夫々配置され、導電層７３２、７３４の他端は、ピエゾ抵抗体７２２、７２４とは重ならない支持部７０４上に夫々配置されている。
導電層７３２の一端には、下層に位置するピエゾ抵抗体７２２と導電層７３２とを電気的に接続するメタルコンタクト部７３６が形成されている。同様に、導電層７３４の一端には、下層に位置するピエゾ抵抗体７２４と導電層７３４とを電気的に接続するメタルコンタクト部７３８が形成されている。
従って、各導電層７２６、７３２の他端からは、ピエゾ抵抗体７２２の抵抗値の変化を読み出すことができ、各導電層７２８、７３４の他端からは、ピエゾ抵抗体７２４の抵抗値の変化を読み出すことができる。

この自己検知型ＳＰＭプローブ７００では、カンチレバー７０２と支持部７０４とが２つの連結部７０６、７０８によって連結されている。ピエゾ抵抗体７２２、７２４は、カンチレバー７０２から支持部７０４にかけて連結部７０６、７０８を介して形成されている。連結部７０６、７０８においてピエゾ抵抗体７２２、７２４を細く形成することができるため、２つのピエゾ抵抗体間において、カンチレバー７０２の捩れにより生じる両屈曲部の変位差を示す抵抗値差が、顕著にかつ正確に現れる。
また、屈曲部におけるピエゾ抵抗体７２２、７２４の抵抗値変化を、支持部７０４上に導かれた配線としての導電層７２６、７３２、７２８、７３４から読み出すことができ、それら抵抗値の変化からカンチレバー７０２の捩れ量を検出することができる。

〔電位検出装置〜演算処理〕
センサ部１３からの信号（抵抗値を示す信号）を処理する演算部１４について説明する。
演算部１４は内部に、予め設定されたプログラムに従って制御動作を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）と、各種プログラムや固定データを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵの作業エリアとなるＲＡＭ（Random Access Memory）とを有している。ＲＯＭには、カンチレバーに内蔵されたピエゾ抵抗体の抵抗値と感光体の表面電位との関係が、テーブル等の形式により記憶されている。
例えば図１２に示す自己検知型ＳＰＭプローブ７００の導電層から読み出された抵抗値は、演算部１４に入力される。演算部１４は、ＲＯＭに記憶されたテーブルを参照して、導電層から読み出された抵抗値から感光体の表面電位を導出する。
演算部１４の演算により求められた感光体の表面電位に基づいて、制御部が画像形成装置１の各部の動作を制御する。例えば制御部は、感光体の表面電位に基づいて感光体２０の露光量を調整するように露光部４０を制御することで、感光体２０の画像濃度を全領域に渡って一定に保つことができる。例えば、図５に示すように、局所的に光疲労が発生して、露光後の電位が高い領域が存在する場合は、制御部がその領域の露光量を強くするように露光部４０を制御する。このような制御を行って狙いの現像ポテンシャルを保つことで、画像濃度ムラの発生を抑えることができる。

また、制御部は、演算部１４の演算により求められた感光体の表面電位に基づいて、正常な状態となるまで感光体２０を回復させるリフレッシュ期間を適切なタイミングで設けることができ、感光体２０の寿命を延ばすことができる。
また、制御部は、演算部１４の演算により求められた感光体の表面電位に基づいてユーザーに感光体の交換を促すメッセージを提示してもよい。例えば、感光体に光疲労が極度に進行した部位が存在し、露光量を強くしても、狙いの現像ポテンシャルに調整できない場合は、画像形成装置の状態を表示する表示手段に感光体交換のメッセージ表示させるように制御することで、スジ画像等の異常画像の発生を未然に防ぐことができる。

〔カンチレバーの形状：実施形態１〕
カンチレバーの具体的形状について図６に基づいて説明する。図６は、本発明の第一の形態に係るカンチレバーの斜視図であり、（ａ）は撓んでいない状態を示す図であり、（ｂ）は撓んだ状態を示す図である。なお、ピエゾ抵抗体等の図示は省略している。
本実施形態においては、カンチレバーの形状を概略Ｌ字形状とすることにより、カンチレバーの変形をたわみ方向から捩れ方向に変換する。即ち、カンチレバーの変形量をたわみ量としてではなく、捩れ量として検出する。その上で、カンチレバーの捩れ方向におけるばね定数を低減させることによって効率的に捩れ量を増大させ、検出対象表面の鏡像力の検出感度を増大させる点に特徴がある。

図６に示すようにカンチレバー４１０は概略Ｌ字型形状である。カンチレバー４１０は、一部４１１ａを支持部４１５によって支持されると共に所定方向に伸びる第一梁部４１１と、後部４１３ａの適所を第一梁部４１１の他部４１１ｂによって支持されると共に、第一梁部４１１と交差する方向に伸びる第二梁部４１３とを備えている。第一梁部４１１と第二梁部４１３は、帯板状である。
また、第一梁部４１１には、第二梁部４１３の先部４１３ｂと対象部材（例：感光体）との間に生じるクーロン力による第一梁部４１１の捩れを抵抗値として出力するピエゾ抵抗体が配置されている。なお、本図における支持部４１５は、図１２に示す支持部７０４に相当し、ピエゾ抵抗体は第一梁部４１１から支持部４１５にかけて形成されている。

本実施形態において第一梁部４１１は、支持部４１５の端縁と直交する方向に伸びており、第二梁部４１３は支持部４１５の端縁に沿って、平行する方向に伸びている。
第一梁部４１１と第二梁部４１３の幅方向と長さ方向（Ｗ方向とＬ方向）によって規定される「面」は、支持部４１５の一つの面（図６中、支持部４１５の上面）と平行な面である。即ち、カンチレバー４１０は、支持部４１５の一つの面に沿って、支持部４１５から突出形成されている。
ここで、カンチレバー４１０の「面」と直交する方向をカンチレバー４１０の「厚さ」と規定する。カンチレバー４１０の厚さは一様である。即ち、第一梁部４１１と第二梁部４１３との厚さは略同等に設定されている。第二梁部４１３の先部に働く対象部材（例えば感光体の表面）との鏡像力により、カンチレバー４１０全体を変形させる。
本実施形態のようにＬ字形状のカンチレバーを用いることで、図６（ｂ）に示すように、カンチレバー先端に作用した鏡像力による変形方向を、たわみ方向（図中矢印Ａ方向）から捩れ方向（図中矢印Ｂ方向）に変換することができる。

第二梁部４１３の先部４１３ｂ（第二梁部の自由端）には、電位の検出対象側となる面にチップ４１７を配置している。第二梁部４１３をチップレスの平板形状（一枚板形状）としても構わない。しかし、チップ４１７設けるとプローブの表面積を大きくすることができ、電位の計測対象（感光体等）によって第二梁部４１３の先部４１３ｂに誘起される電荷量及び発生する鏡像力の増大を図ることができる。
チップ４１７の形状としては、図６に示すように、逆ピラミッド形状とすることができる。逆ピラミッド形状のチップは一般的であり、作製が容易であるため、採用しやすい。また、チップ４１７としてコロイドプローブと呼ばれるマイクロ球（μｍ単位の粒子）を採用してもよい。
なお、第二梁部４１３の先部４１３ｂに誘起される電荷量を可能な限り大きくするため、チップ４１７の幅は、第二梁部４１３の先部４１３ｂの幅（図６中、幅Ｌ２）とほぼ同じ幅に設定することが望ましい。

カンチレバーの寸法について説明する。カンチレバー４１０の、支持部４１５の端縁からの長さ（突出長）をＬ１とし、支持部４１５の端縁に沿った方向における長さをＷ２とする。なお、長さＬ１は、支持部４１５の端縁と直交する方向における長さである。また、第一梁部４１１の幅をＷ１とし、第二梁部４１３の幅をＬ２とする。なお、幅Ｗ１は支持部４１５の端縁に沿った方向における長さであり、幅Ｌ２は支持部４１５の端縁と直交する方向における長さである。
カンチレバーの寸法は、Ｌ１＝２００〜５００ｕｍ、Ｌ２＝５０〜２００ｕｍ、Ｗ１＝２０〜５０ｕｍ、Ｗ２＝１００〜５００ｕｍの範囲に設計するのが好適である。
第二梁部４１３の幅Ｌ２をできるだけ大きくした方が、第二梁部４１３のたわみ変形を第一梁部４１１の捩れ変形に効率的に変換できるので、好適である。しかし、必要以上に幅Ｌ２を大きくしすぎると、検出対象の鏡像力が作用しなくとも、第二梁部４１３の自重によりカンチレバー４１０全体が撓んでしまい、鏡像力の検出感度が低下するため、上記寸法範囲内に治めることが望ましい。
なお、カンチレバー４１０の厚さＴは５ｕｍ程度にするのが好適である。

上述のように、カンチレバーに誘起される電荷量を増大させるには、カンチレバーの幅Ｌ２（又はチップ４１７の幅）を広げればよい。
ここで、カンチレバーが他の形状となっている場合と比べる。例えば、カンチレバーが直線形状（Ｉ字形状）である場合は、カンチレバーの幅を広げることによって誘起電荷量及び鏡像力が増大する。その一方でばね定数が増大するため、カンチレバーのたわみ量が減少し、鏡像力の検出感度が低下する。結果として、鏡像力の増大と鏡像力の検出感度の増大とがトレードオフの関係となり、鏡像力計測時のＳＮ比を高めることは困難である。

本実施形態においては、カンチレバーを概略Ｌ字形状として、カンチレバーの変形を撓み方向から捩れ方向に変換する。また、第二梁部４１３の幅Ｌ２を広げることによって、カンチレバーの先端（第二梁部４１３の先部４１３ｂ）における誘起電荷量及び鏡像力を増大させる。更に、カンチレバーの第一梁部４１１の幅Ｗ１を狭めることにより、カンチレバーの捩れ方向におけるバネ定数を下げることができる。その結果、鏡像力の増大と鏡像力の検出感度の増大とを同時に達成することができ、鏡像力を計測する時のＳＮ比を高めることが可能となる。
特に、第一梁部４１１の幅Ｗ１よりも、第二梁部４１３の幅Ｌ２を広くすることで、第二梁部４１３の先端に誘起される電荷量及び鏡像力を増大させつつ、捩れ方向におけるカンチレバー４１０のバネ定数を効果的に下げるので、電位検出感度を向上させることができる。

〔カンチレバーの形状：実施形態２〕
図７は、本発明の第二の実施形態に係るカンチレバーの斜視図である。カンチレバー４２０は、第一梁部４２１の長手方向に伸びる端縁の一部を欠損させた欠損部４２３を有する。
第一梁部４２１の幅方向一端側に位置する第二梁部４１３の先部４１３ｂに対して、欠損部４２３は第一梁部４２１の幅方向他端部に配置されている。カンチレバー４２０の捩れ方向におけるばね定数を低減できれば、欠損部４２３はどのような形状としてもよい。図７に示す欠損部４２３は、第一梁部４２１を、その長手方向に沿って所定の幅Ｗ３にて欠損させたものである。欠損部４２３は、第一梁部４２１の長手方向の何れの位置に形成してもよいが、少なくとも第一梁部４２１の一番狭い部分の幅Ｗ１が、第二梁部４１３の幅Ｌ２よりも細くなるようにし、捩れ方向におけるカンチレバー４２０のバネ定数を効果的に低減させるようにする。

図７に示す欠損部４２３は第一梁部４２１の一端から形成され、その長さは（Ｌ１−Ｌ２）である。このため、第一梁部４２１の他部４２１ｂは、第二梁部４１３の後端縁よりも先方向寄りの位置に連結された状態となっている。
欠損部４２３を設けて第一梁部４２１の幅Ｗ１を細くすることで、第二梁部４１３の先端に誘起される電荷量及び鏡像力を増大させつつ、捩れ方向におけるカンチレバー４２０のバネ定数を効果的に下げるので、電位検出感度を向上させることができる。
ここで欠損部４２３の幅Ｗ３は、「２×（Ｗ１＋Ｗ３）＜Ｗ２」を満たすように設定する。なお、Ｗ１、Ｗ２、Ｌ１、Ｌ２については、上述した具体的数値の範囲に収めればよい。

〔カンチレバーの形状：実施形態３〕
図８は、本発明の第三の実施形態に係るカンチレバーの斜視図である。カンチレバー４３０は、第一梁部４３１の面積内の一部を欠損させた欠損部４３３を有する。特に、欠損部４３３は、第一梁部４３１の面積内に形成された貫通穴である。欠損部４３３は、第一梁部４３１の長手方向に沿った長さＩ１、幅Ｉ２の概略矩形状であり、第一梁部４３１の面積内の中央部を厚さ方向に貫通している。
Ｉ１、Ｉ２は、「Ｌ２＋Ｉ１＜Ｌ１」、「Ｉ２＜Ｗ１」を満たすように設定する。なお、Ｗ１、Ｗ２、Ｌ１、Ｌ２については、上述した具体的数値の範囲に収める。このように、第一梁部４３１の中央部に打ち抜いた貫通穴としての欠損部４３３を配置することにより、第一梁部の捩れ方向におけるバネ定数を低減させてもよい。
本実施形態においても、第一梁部４３１の幅Ｗ１よりも、第二梁部４１３の幅Ｌ２を広くすることで、捩れ方向におけるカンチレバー４３０のバネ定数を効果的に低減させることができるので、電位検出感度を向上させることができる。

〔カンチレバーの形状：実施形態４〕
図９は、本発明の第四の実施形態に係るカンチレバーの斜視図である。カンチレバー４４０は、第一梁部４４１の面積内の一部を欠損させた欠損部４４３を有する。特に、欠損部４４３は、第一梁部４４１の面積内に形成された貫通穴である。欠損部４４３は、第一梁部４４１の面積内の中央部を厚さ方向に貫通している。
欠損部４４３は長さＩ１、第一梁部４４１の他端側の幅Ｉ２の概略三角形状である。Ｉ１、Ｉ２は、「Ｌ２＋Ｉ１＜Ｌ１」、「Ｉ２＜Ｗ１」を満たすように設定する。なお、Ｗ１、Ｗ２、Ｌ１、Ｌ２については、上述した具体的数値の範囲に収める。

本実施形態のように欠損部４４３を三角形状とする場合は、第一梁部４４１の捩れ変形方向に沿うように欠損部４４３を形成する。即ち、第一梁部４４１の幅方向一端側に位置する第二梁部４１３の先部４１３ｂに対して、欠損部４４３の第一辺４４３ａを第一梁部４４１の幅方向他端寄りに配置する。次いで第一辺４４３ａと直交する第二辺４４３ｂを第一梁部４４１の長手方向他端部４４１ｂに配置する。欠損部４４３の第三辺４４３ｃは、第一梁部４４１の長手方向他端部４４１ｂから長手方向一端部４４１ａに向かって、第一梁部４４１の幅方向一端部から徐々に離間するように配置する。
このようにすることで、欠損部４４３を矩形状とする場合に比較して、第一梁部４４１の捩れ方向におけるバネ定数を効果的に低減させることができる。

また、本実施形態においても、第一梁部４４１の幅Ｗ１よりも、第二梁部４１３の幅Ｌ２を広くすることで、捩れ方向におけるカンチレバー４４０のバネ定数を効果的に低減させることができるので、電位検出感度を向上させることができる。

〔電位検出装置の他への応用〕
本実施形態に係る電位検出装置は、他の電子写真部材の状態検知にも適用可能である。図１０は、転写ベルト５０２の表面電位を検出するため電位検出装置５０１を設けた他の画像形成装置の要部の概略構成を示す図である。図１１は、帯電ローラ６０３の表面電位を検出するために電位検出装置６０１を設けた他の画像形成装置の要部の概略構成を示す図である。
このように、本実施形態の電位検出装置は、経時での表面汚染による、転写ベルトや帯電ローラの電位ムラ発生を検知する場合にも適用可能である。転写ベルトや帯電ローラの場合は、放電を用いて、長手方向に一様に電位を印加するため、長手方向の電位を補正することはできないが、適切なタイミングでユーザーに、転写ベルトや帯電ローラの交換をするようにメッセージを提示することができる。また、転写ベルトや帯電ローラ上のトナーを検知してクリーニング不良等を防止することができる。

〔本発明の実施態様と効果〕
本発明に係る電位検出装置は、以下の態様にて実施することができる。
（態様１）
態様１は、対象部材の表面電位を検出する電位検出装置（図３等）であって、一部を支持手段によって支持された第一梁部、後部適所を第一梁部の他部によって支持されると共に、第一梁部と交差する方向に伸びる第二梁部、及び第二梁部の先部と対象部材（例：感光体）との間に生じるクーロン力による第一梁部の捩れを抵抗値として出力するピエゾ抵抗体と、を備えたカンチレバー（図６〜図９）と、ピエゾ抵抗体が出力する抵抗値に基づいて対象部材の表面電位を導出する演算手段（図３）と、を備えたことを特徴とする。

一般的に、カンチレバーのバネ定数を下げることで、カンチレバーによる鏡像力の検出感度を高めることができる。カンチレバーのバネ定数を下げるために効果的な方法は、カンチレバーの幅を狭くすることである。しかし、仮にＩ字形状のカンチレバーの幅を狭めるとカンチレバー先端に誘起される鏡像電荷量が減少し、鏡像力の検出感度が低下することになる。
本発明に係る電位検出装置を構成するカンチレバーは、第一梁部に対して交差する方向に伸びる第二梁部を備えている。例えば、本発明の各実施形態に示したようにカンチレバーは、第二梁部が第一梁部に対して直交した概略Ｌ字形状のとすることができる。このようなカンチレバーを用いると、第二梁部の先部に電位誘起の力が作用した際に、カンチレバー全体に捩れが発生する（図６（ｂ））。即ち、第二梁部の先部と対象部材との間に働く鏡像力によるカンチレバーの変形方向を、たわみ方向から、捩れ方向に変換することができる。このため、第二梁部の先部に誘起される鏡像電荷量及び鏡像力の増加と、鏡像力の検出感度がトレードオフの関係とならず、結果として対象部材表面の電位検出感度を向上させることができる。

（態様２）
態様２は、第一梁部４２１の他部４２１ｂは、第二梁部４１３の後端縁よりも先方向寄り（先部４１３ｂ寄り）の位置に連結されていることを特徴とする（図７）。
図７に示すように、第二梁部４１３の先部４１３ｂは、第一梁部４２１の幅方向一端側に位置する。本態様では、捩れ方向におけるカンチレバーのバネ定数を効果的に下げるために、第一梁部４２１の幅方向他端部を第一梁部４２１の長手方向に沿って欠損させた欠損部４２３を設けた。これにより、第一梁部４２１の他部４２１ｂは、第二梁部４１３の後端縁よりも先方向寄りの位置に連結される。

（態様３）
態様３は、第一梁部の幅よりも、第二梁部４１３の幅の方が広いことを特徴とする。
第二梁部４１３の幅を広くすることで第二梁部４１３の先部４１３ｂに誘起される鏡像電荷量を大きくしつつ、第一梁部の幅を狭めることで捩れ方向におけるカンチレバーのバネ定数を下げるので、電位検出感度を向上させることができる。
（態様４）
態様４は、複数のカンチレバー１１をアレイ状に配置したことを特徴とする（図３）。
電位検出装置１０のセンサ部１３が複数のカンチレバー１１を備えているので、電位検出装置１０の一部のカンチレバー１１が破損して電位検出が不可能となっても、他のカンチレバー１１により、継続的に電位検出が可能となる。

（態様５）
態様５は、第一梁部４２１、４３１、４４１は、第一梁部の面積内又は端縁の一部を欠損させた欠損部４２３、４３３、４４３を有することを特徴とする（図７〜図９）。
第一梁部４２１、４３１、４４１が欠損部４２３、４３３、４４３を備えているので、カンチレバー１１の捩れ方向におけるばね定数をより効果的に低減させることができ、電位検出感度を向上させることができる。

（態様６）
態様６は、欠損部４３３、４４３（図８、図９）は、第一梁部４３１、４４１の面積内に形成された貫通穴であることを特徴とする。
「第一梁部の面積内」における「面」とは、第一梁部の幅方向（Ｗ１に沿った方向）と長手方向（Ｌ１に沿った方向）とによって規定される面のことである。第一梁部４３１、４４１は、また、この「面」と直交する厚さ方向に貫通した貫通穴としての欠損部４３３、４４３を備えたので、カンチレバー４３０、４４０の捩れ方向におけるばね定数をより効果的に低減させることができ、電位検出感度を向上させることができる。

（態様７）
態様７は、態様１乃至６の何れかに記載の電位検出装置を備えた画像形成装置を特徴とする。
電位検出装置を構成するカンチレバーの寸法はマイクロスケールであり、その他の配線や設置に関わる各機構を含めても、非常にコンパクトに設計できる。このため、電位検出装置は、画像形成装置の内部に搭載するに好適である。
本態様では、このような電位検出装置により検出された対象部材の表面電位に基づいて画像形成装置の各部の動作を制御するので、画像形成装置の画質を長期にわたり安定的に維持することができる。

１、１００、２００…画像形成装置、１０…電位検出装置、１１…カンチレバー、１２…ピエゾ抵抗体、１３…センサ部、１４…演算部、１６…支持部材、４１０、４２０、４３０、４４０…カンチレバー、４１１、４２１、４３１、４４１…第一梁部、４１３…第二梁部、４１７…チップ、４２３、４３３、４４３…欠損部、５０１…電位検出装置、５０２…転写ベルト、６０１…電位検出装置、６０３…帯電ローラ、７００…自己検知型ＳＰＭプローブ、７０２…カンチレバー、７０４…連結部、７０６…支持部、７１２…探針（チップ）、７２２、７２４…ピエゾ抵抗体、７２６、７２８、７３２、７３４…導電層、７３６、７３８、７４２、７４４…メタルコンタクト部

特開２００９−１８６９６５公報 特開２０００−１１１５６３公報

Claims (7)

1. 対象部材の表面電位を検出する電位検出装置であって、
   一部を支持手段によって支持された第一梁部、後部適所を前記第一梁部の他部によって支持されると共に、前記第一梁部と交差する方向に伸びる第二梁部、及び前記第二梁部の先部と前記対象部材との間に生じるクーロン力による前記第一梁部の捩れを抵抗値として出力するピエゾ抵抗体を備えたカンチレバーと、
   前記ピエゾ抵抗体が出力する抵抗値に基づいて前記対象部材の表面電位を導出する演算手段と、を備えたことを特徴とする電位検出装置。
2. 前記第一梁部の他部は、前記第二梁部の後端縁よりも先方向寄りの位置に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の電位検出装置。
3. 前記第一梁部の幅よりも、前記第二梁部の幅の方が広いことを特徴とする請求項１又は２に記載の電位検出装置。
4. 複数の前記カンチレバーをアレイ状に配置したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電位検出装置。
5. 前記第一梁部は、該第一梁部の面積内又は端縁の一部を欠損させた欠損部を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電位検出装置。
6. 前記欠損部は、前記第一梁部の面積内に形成された貫通穴であることを特徴とする請求項５に記載の電位検出装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の電位検出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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