JPH10115647A

JPH10115647A - 表面電位センサ

Info

Publication number: JPH10115647A
Application number: JP27066796A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Goto; 章博後藤; Shoji Koyama; 昌二小山
Original assignee: Hirose Cherry Precision Co Ltd
Current assignee: Hirose Cherry Precision Co Ltd
Priority date: 1996-10-14
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 1998-05-06

Abstract

(57)【要約】【解決手段】表面電位センサは、検知電極と、振動片
を有するチョッパ手段と、振動片を自励振動させるため
の駆動手段とを備え、振動片は、少なくとも一部分が磁
性体であり、駆動手段は、振動片の磁性体部分に電磁気
的に作用して駆動力を与えるための電磁的素子と、振動
片の振動に応じた帰還信号を発生するための圧電素子
と、電磁的素子に駆動信号を与え、圧電素子から帰還信
号を受け取ることにより、振動片の共振周波数で発振し
て振動片を自励振動させるための駆動回路とを含む。【効果】充放電電流がなくなり、また、電極で検知す
るのは電界であり、一方、音叉を駆動するのは磁界であ
り、両者の間に相互干渉がないのでノイズの問題がな
く、測定精度、ピックアップ精度が向上する。その上、
電磁コイル等の電磁的素子による駆動力は、圧電素子に
よるものに比較して倍力となる他、左右対称に精度良く
駆動力を掛けられるので、設計の自由度が高まり、小型
化が可能となり、製造コストも低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複写機やプリンタ
等の帯電ドラム、あるいは半導体ウエハー等の表面電位
を検知するための表面電位センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の表面電位センサとして
は、種々な形式のものが開発され使用されてきている
が、なかでも、比較的に小型で低コストで且つ高精度の
表面電位検出が可能なものとして、添付図面の図１２、
図１３および図１４に例示したような形式のものが普及
してきている。

【０００３】図１２は、この従来の表面電位センサの分
解部品配列斜視図であり、図１３は、図１２の表面電位
センサを組立て状態にて示す平面図であり、この図１３
においては、シールド部材の天井部は除いて示してい
る。また、図１４は、図１２の表面電位センサを組立て
状態にて示す正面図であり、この図１４においては、シ
ールド部材の正面部は除いて示している。これら図に示
されるように、この従来の表面電位センサは、主とし
て、プリント基板１０と、シールド部材２０と、音叉３
０と、駆動用圧電素子４１と、帰還用圧電素子４２と、
検知電極５０とを備える。

【０００４】この表面電位センサは、音叉を自励振動さ
せるための駆動回路および検知電極に誘起される被測定
体の表面電位に応じた交流信号を測定信号として出力す
るための変換回路等を含むものであり、通常、これら回
路は、プリント基板１０上の適所に搭載されるものであ
るが、図では省略されている。

【０００５】プリント基板１０には、音叉３０や検知電
極５０を取り付け固定するための取付け孔１１が設けら
れており、また、図示してはいないが、各種の接続導体
が配線されている。シールド部材２０は、外部電界の影
響を除くために金属材料で形成された箱状のものであ
り、被測定体の表面に対して検知電極５０を露出させる
ための検知窓２１が形成されている。音叉３０は、基部
３７の両側から延長する第１の振動片３１と第２の振動
片３２とを有しており、各振動片の自由端には、チョッ
パー電極３３および３４がそれぞれ設けられている。基
部３７の両端には、取付け脚部３５および３６が形成さ
れている。音叉３０の第１の振動片４１には、駆動用圧
電素子４１が取り付けられ、第２の振動片３２には、帰
還用圧電素子４２が取り付けられている。検知電極５０
は、シールド部材２０の検知窓２１を通して被測定体の
表面に対向させられる検知表面５１と、この検知表面５
１の両側に形成された取付け脚部５２および５３とを有
している。

【０００６】このような構成の従来の表面電位センサ
は、次のような動作により、被測定体の表面電位を検知
するものである。駆動回路（図示していない）の出力を
駆動用圧電素子に接続し、駆動回路の入力を帰還用圧電
素子４２に接続して、駆動回路を付勢すると、駆動用圧
電素子４１により音叉３０の第１の振動片３１が駆動さ
れて、音叉３０の機械的な振動が開始させられ、第２の
振動片３２の振動により帰還用圧電素子４２の厚み方向
に電気信号が発生されて、これが駆動回路の入力に帰還
されるため、音叉３０の共振周波数で発振を始めるよう
になる。

【０００７】音叉３０の第１の振動片３１および第２の
振動片３２の自由端に設けられたチョッパー電極３３お
よび３４は、このような音叉３０の振動により検知窓２
１を一定周期で開閉するような動きを行う。被測定体の
表面電位に基づく電気力線は、検知窓２１を通って検知
電極５０に入るが、検知窓２１と検知電極５０との間に
位置するチョッパー電極３３、３４が音叉３０の振動に
よって、この電気力線を鎖交して切るようになり、検知
電極５０に被測定体の表面電位に比例した交流電圧を誘
起する。この交流電圧は、プリント基板１０上に搭載さ
れた電流増幅回路（図示していない）等を用いて低イン
ピーダンス信号に変換された後、被測定体の表面電位を
表す検知信号として外部へと取り出される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の表面電位センサは、音叉の自励振動を行わせるため
の駆動用素子および帰還用素子の両方ともが圧電素子に
て構成されているものであるため、次のような問題があ
るものであった。

【０００９】先ず、第一に、圧電素子と音叉との間にコ
ンデンサが形成されたり、圧電素子自体がコンデンサと
しての作用を持つことから、充放電が繰り返されること
となり、この充放電電流が電位の測定をはじめ音叉振動
についての帰還のためのピックアップにも悪影響を及ぼ
す。

【００１０】第二に、圧電素子は、音叉に直接取り付け
るものであり、取付け精度は、振動特性に大きな影響を
与えるものであるため、厳密な管理が必要となり、製造
コストが嵩む。

【００１１】第三に、特性の安定化と製造面での優位性
から、両圧電素子の取付け位置は、凡そ一般的に左右対
称となるほか、その位置も自ずと限られてしまい、設計
の自由度は低いものとなる。

【００１２】第四に、圧電素子に接続するリード線は、
細くデリケートで、製造においても細心の注意が必要と
なりコストが嵩む。

【００１３】本発明の目的は、前述したような従来技術
の問題点を解消しうるような表面電位センサを提供する
ことである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、被測定
体の表面電位を検知するための表面電位センサにおい
て、前記被測定体の表面に対して対峙させられる検知電
極と、振動片を含み該振動片の自励振動により前記被測
定体から前記検知電極へと向かう電気力線を断続的に切
って、前記検知電極に、前記表面電位に応じた交流信号
を誘起させるためのチョッパ手段と、前記振動片を自励
振動させるための駆動手段とを備えており、前記振動片
は、少なくとも一部分が磁性体であり、前記駆動手段
は、前記振動片の磁性体部分に電磁気的に作用して駆動
力を与えるための電磁的素子と、前記振動片の振動に応
じた帰還信号を発生するための圧電素子と、前記電磁的
素子に駆動信号を与え、前記圧電素子から帰還信号を受
け取ることにより、前記振動片の共振周波数で発振して
前記振動片を自励振動させるための駆動回路とを含むこ
とを特徴とする。

【００１５】本発明の一つの実施の形態によれば、前記
振動片は、音叉により与えられ、前記電磁的素子は、前
記音叉の振動片の磁性体部分の近傍に配置される電磁コ
イルであり、前記圧電素子は、前記音叉の振動片の基部
に取り付けられている。

【００１６】本発明の別の実施の形態によれば、前記振
動片は、音叉により与えられ、前記電磁的素子は、前記
音叉の振動片の磁性体部分の近傍に配置される電磁コイ
ルであり、前記圧電素子は、前記音叉の振動片とは支点
を挟んで反対側において前記振動片の振動中心に対して
偏心させた位置に延長して形成された延長片に取り付け
られる。

【００１７】本発明のもう一つ別の実施の形態によれ
ば、前記振動片は、音叉により与えられ、前記電磁的素
子は、前記音叉の振動片の磁性体部分の近傍に配置され
る電磁コイルであり、前記圧電素子は、前記音叉の振動
片とは支点を挟んで反対側において前記振動片の振動中
心と整列した位置に延長して形成された延長片に取り付
けられる。

【００１８】本発明のさらに別の実施の形態によれば、
前記振動片は、音叉により与えられ、前記電磁的素子
は、前記音叉の振動片の磁性体部分の近傍に配置される
電磁コイルであり、前記圧電素子は、前記音叉を取り付
けた基板上に取り付けられる。

【００１９】本発明のさらに別の実施の形態によれば、
前記電磁コイルは、前記音叉の振動片の磁性体部分の近
傍へと延びる延出部を有する。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、添付図面の図１から図１１
に基づいて、本発明の実施例について、本発明をより詳
細に説明する。

【００２１】図１は、本発明の一実施例としての表面電
位センサの概略平面図であり、図２は、図１の表面電位
センサの概略正面図である。なお、これら図１および図
２においては、図１２から図１４について説明したよう
な従来の表面電位センサにおけるシールド部材２０に対
応するシールド部材および検知電極５０に対応する検知
電極については、同様のものが備えられているのである
が、図を簡単化するために省略されており、同様の理由
により、平面図にはプリント基板は省略されている。後
述する別の実施例を示す図においても同じである。

【００２２】図１および図２に示されるように、この実
施例の表面電位センサは、プリント基板１０上に取り付
けられる音叉３０Ａを備えている。この音叉３０Ａは、
磁性体材料で一体的に形成されており、基部３７Ａの両
側から延長する第１の振動片３１Ａと第２の振動片３２
Ａとを有している。第１の振動片３１Ａの自由端には、
チョッパー電極３３Ａが形成されており、第２の振動片
３２Ａの自由端には、チョッパー電極３４Ａが形成され
ている。基部３７Ａの両端には、取付け脚部３５Ａおよ
び３６Ａが形成されている。

【００２３】この実施例の表面電位センサは、音叉３０
Ａを駆動するための電磁的素子としての電磁コイル６０
と、帰還用圧電素子４２Ａとを備えている。電磁コイル
６０は、プリント基板１０上への取付け脚部６１と、音
叉３０Ａの第１の振動片３１Ａと第２の振動片３２Ａと
の間に配置されるようなサイズとされたヨーク（鉄心）
６２と、このヨーク６２に巻回されたコイル６３とを備
えている。帰還用圧電素子４２Ａは、音叉３０Ａの基部
３７Ａの天井部の裏面に取り付けられている。

【００２４】この実施例の表面電位センサが、被測定体
の表面電位を検知するための全体的な動作は、前述した
従来の表面電位センサの動作と同様であるので、ここで
は、同様の動作部分については繰り返し説明せずに、本
発明による異なる動作部分についてのみ説明する。

【００２５】この実施例の表面電位センサにおいては、
前述した従来の表面電位センサの駆動用圧電素子４１の
代わりに、電磁コイル６０が使用されている。プリント
基板１０上に搭載された適当な駆動回路（図示していな
い）の出力が電磁コイル６０のコイル６３の両端に接続
され、駆動回路の入力が帰還用圧電素子４２Ａに接続さ
れる。駆動回路を付勢すると、電磁コイル６０が付勢さ
れて、磁性体である音叉３０Ａの第１の振動片３１Ａお
よび第２の振動片３２Ａに対して電磁的に駆動力が及ぼ
され、音叉３０Ａの機械的な振動が開始させられる。す
ると、この振動が基部３７Ａにも伝達されるので、そこ
に取り付けられた帰還用圧電素子４２Ａの厚み方向に電
気信号が発生されて、これが駆動回路の入力に帰還され
るため、音叉３０Ａの共振周波数で発振を始めるように
なる。音叉３０Ａの第１の振動片３１Ａおよび第２の振
動片３２Ａの自由端に設けられたチョッパー電極３３Ａ
および３４Ａは、このような音叉３０Ａの振動により、
シールド部材（図示していない）の検知窓を一定周期で
開閉するような動きを行い、被測定体の表面電位に応じ
た検知信号を検知電極から取り出すことができる。この
実施例の如く、電磁コイル６０を音叉３０Ａの第１の振
動片３１Ａと第２の振動片３２Ａとの間に配置する構成
とすると、電磁コイルの倍力のメカニズムが達成され
る。すなわち、電磁コイル６０は、両方の振動片の間に
位置して磁界を形成し両方の振動片に作用させることに
なり、コイルの両側において左右両側の振動片を同時に
且つ左右対称に振動させることができ、磁界を利用する
形態としては極めて効率の良い形態である。したがっ
て、このような実施例の構成によれば、電磁コイルを小
型なものとすることができる。

【００２６】なお、図１および図２に示した実施例で
は、帰還用圧電素子４２Ａは、音叉３０Ａの基部３７Ａ
の天井部の裏面に取り付けられたのであるが、天井部の
表面に取り付けてもよい。

【００２７】図３は、本発明の別の実施例としての表面
電位センサの構成を示す図１と同様の概略平面図であ
り、図４は、図３の表面電位センサの構成を示す図２と
同様の概略正面図である。この実施例の表面電位センサ
の構成および動作の大部分については、図１および図２
の実施例の表面電位センサと同様であるので、同様の部
分については、説明を省略し、異なる部分についてのみ
説明する。この実施例においては、音叉３０Ｂには、支
点としての基部３７Ｂを挟んで第１の振動片３１Ｂおよ
び第２の振動片３２Ｂ並びにチョッパー電極３３Ｂおよ
び３４Ｂとは反対側において第１の振動片３１Ｂの側へ
と偏心させた位置に延長して形成された延長片３８Ｂが
設けられている。そして、帰還用圧電素子４２Ｂは、こ
の延長片３８Ｂに取り付けられている。

【００２８】図５は、本発明のさらに別の実施例として
の表面電位センサの構成を示す図１と同様の概略平面図
であり、図６は、図５の表面電位センサの構成を示す図
２と同様の概略正面図である。この実施例の表面電位セ
ンサの構成および動作の大部分については、図１および
図２の実施例の表面電位センサと同様であるので、同様
の部分については、説明を省略し、異なる部分について
のみ説明する。この実施例においては、音叉３０Ｃに
は、支点としての基部３７Ｃを挟んで第１の振動片３１
Ｃおよび第２の振動片３２Ｃ並びにチョッパー電極３３
Ｃおよび３４Ｃとは反対側において第１の振動片３１Ｃ
と第２の振動片３２Ｃとの間の振動中心と整列した位置
に延長して形成された延長片３８Ｃが設けられている。
そして、帰還用圧電素子４２Ｃは、この延長片３８Ｃに
取り付けられている。さらに、この実施例の表面電位セ
ンサの音叉３０Ｃにおいては、基部３７Ｃの一端に一つ
の取付け脚部３５Ｃと、基部３７Ｃの他端に一対の取付
け脚部３６Ｃとの、合計３個の取付け脚部が設けられて
いる。

【００２９】図７は、本発明のさらに別の実施例として
の表面電位センサの構成を示す図１と同様の概略平面図
であり、図８は、図７の表面電位センサの構成を示す図
２と同様の概略正面図である。この実施例の表面電位セ
ンサの構成および動作の大部分については、図１および
図２の実施例の表面電位センサと同様であるので、同様
の部分については、説明を省略し、異なる部分について
のみ説明する。この実施例においては、帰還用圧電素子
４２Ｄは、音叉３０Ｄの部分に直接取り付けられるので
なく、音叉３０Ｄを取り付けたプリント基板１０の上で
音叉３０Ｄに近接した位置に取り付けられている。

【００３０】図９は、本発明のさらに別の実施例として
の表面電位センサの構成を示す図１と同様の概略平面図
であり、図１０は、図９の表面電位センサの構成を示す
図２と同様の概略正面図である。この実施例の表面電位
センサの構成および動作の大部分については、図１およ
び図２の実施例の表面電位センサと同様であるので、同
様の部分については、説明を省略し、異なる部分につい
てのみ説明する。この実施例においては、電磁コイル６
０の構成とは若干異なる構成の電磁コイル６０Ａが設け
られる。図１１は、この電磁コイル６０Ａのみを取り出
して示す側面図であり、この図１１によく示されるよう
に、この電磁コイル６０Ａは、プリント基板１０上への
取付け脚部６１Ａと、音叉３０Ｅの第１の振動片３１Ｅ
と第２の振動片３２Ｅとの間へと延びる延出部６４Ａを
有したたヨーク（鉄心）６２Ａと、このヨーク６２Ａに
巻回されたコイル６３Ａとを備えている。また、この実
施例では、音叉の第１の振動片と第２の振動片との間へ
と延びる延出部を、電磁コイルのヨークに形成したので
あるが、これに限らず、例えば、ヨークを有しない電磁
コイルのような場合にも、コイル自体の形状を工夫する
ことにより、この延出部と同等の効果を発揮しうる延出
部を与えることができる。

【００３１】なお、前述した実施例では、音叉の全体を
磁性体材料にて形成しているが、本発明は、これに限ら
ず、例えば、音叉の振動片の電磁コイルが近接する部分
に磁性体片を取り付けるなどして、部分的に磁性体を有
する音叉としてもよいものである。また、前述した実施
例では、電磁的素子として電磁コイルを用いたのである
が、本発明はこれに限らず、振動片に対して電磁気的に
駆動力を与えることのできるものであれば、任意のもの
でよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、振動片の駆動手段を電
磁的素子とし、帰還のためのピックアップ手段のみを圧
電素子としたので、充放電電流がなくなり、測定精度、
ピックアップ精度が向上する。また、検知電極によって
検知するのは被測定体の表面電位に基づく電界であり、
また、帰還用圧電素子も電界に基づき作用するものであ
り、一方、音叉を駆動するのは磁界であり、この両者の
間には何ら相互干渉がないことからノイズの問題がなく
なり、一層精密な測定が可能となる。その上、電磁コイ
ル等の電磁的素子による駆動力は、圧電素子によるもの
に比較して倍力となる他、左右対称に精度良く駆動力を
掛けられるので、設計の自由度が高まり、小型化が可能
となり、製造コストも低減できる。

【００３３】次に、前述した実施例において特に得られ
る効果について、実施例別に述べると、先ず、図１およ
び図２の実施例では、電磁コイルが音叉の一対の振動片
の間に収められ、圧電素子が音叉の基部の天井の裏面に
取り付けられるので、表面電位センサ全体としてのサイ
ズを極めて小型化することができる。

【００３４】図３および図４の実施例では、帰還用圧電
素子は、支点を挟んで音叉の振動片およびチョッパー電
極の反対側に位置しているので、音叉の共振特性に影響
を与えず、テコの原理を利用して共振による振動を増
幅、拡大して圧電素子で検出することができる。また、
このような配置とすることにより、圧電素子の接着、電
極線の半田付け作業を簡単化することができる。更に、
この実施例では、圧電素子が振動片の振動中心に対して
偏心させた位置に位置しているので、高調波での共振時
に左右のバランスを崩し、減衰を大きくすることによ
り、共振し難くする働きもある。

【００３５】図５および図６の実施例では、音叉の基部
には３本の取付け脚部があり、図３および図４の実施例
のような共振の増幅、拡大や、高調波の共振の減衰など
の作用はないが、図１および図２の実施例との比較にお
いて、より圧電素子の接着、電極線の半田付け作業を簡
単化することができる。

【００３６】図７および図８の実施例は、プリント基板
に取り付けた圧電素子により、音叉よりプリント基板へ
と伝わる漏れ振動をピックアップするものである。この
ような構成としたことにより、センサの組立て作業をよ
り簡単化することができるほか、設計の自由度が高ま
り、小型化も可能となる。

【００３７】図９、図１０および図１１の実施例では、
電磁コイルのヨークが両端に一対の延出部を備えてお
り、コイルにより発生する磁力を延出部により音叉に作
用させることで、コイル自体を自由な位置に設置するこ
とができ、設計、デザインの自由度が高まると共に、セ
ンサを小型化することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての表面電位センサの概
略平面図である。

【図２】図１の表面電位センサの概略正面図である。

【図３】本発明の別の実施例としての表面電位センサの
構成を示す図１と同様の概略平面図である。

【図４】図３の表面電位センサの構成を示す図２と同様
の概略正面図である。

【図５】本発明のさらに別の実施例としての表面電位セ
ンサの構成を示す図１と同様の概略平面図である。

【図６】図５の表面電位センサの構成を示す図２と同様
の概略正面図である。

【図７】本発明のさらに別の実施例としての表面電位セ
ンサの構成を示す図１と同様の概略平面図である。

【図８】図７の表面電位センサの構成を示す図２と同様
の概略正面図である。

【図９】本発明のさらに別の実施例としての表面電位セ
ンサの構成を示す図１と同様の概略平面図である。

【図１０】図９の表面電位センサの構成を示す図２と同
様の概略正面図である。

【図１１】図９および図１０の表面電位センサの電磁コ
イルのみを取り出して示す側面図である。

【図１２】従来の表面電位センサの分解部品配列斜視図
である。

【図１３】図１２の表面電位センサを組立て状態にて示
す平面図である。

【図１４】図１２の表面電位センサを組立て状態にて示
す正面図である。

【符号の説明】

１０プリント基板２０シールド部材２１検知窓３０Ａ音叉３１Ａ第１の振動片３２Ａ第２の振動片３３Ａチョッパー電極３４Ａチョッパー電極３５Ａ取付け脚部３６Ａ取付け脚部３７Ａ基部４２Ａ帰還用圧電素子５０検知電極６０電磁コイル６１取付け脚部６２ヨーク６３コイル６４Ａ延出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定体の表面電位を検知するための表
面電位センサにおいて、前記被測定体の表面に対して対
峙させられる検知電極と、振動片を含み該振動片の自励
振動により前記被測定体から前記検知電極へと向かう電
気力線を断続的に切って、前記検知電極に、前記表面電
位に応じた交流信号を誘起させるためのチョッパ手段
と、前記振動片を自励振動させるための駆動手段とを備
えており、前記振動片は、少なくとも一部分が磁性体で
あり、前記駆動手段は、前記振動片の磁性体部分に電磁
気的に作用して駆動力を与えるための電磁的素子と、前
記振動片の振動に応じた帰還信号を発生するための圧電
素子と、前記電磁的素子に駆動信号を与え、前記圧電素
子から帰還信号を受け取ることにより、前記振動片の共
振周波数で発振して前記振動片を自励振動させるための
駆動回路とを含むことを特徴とする表面電位センサ。
【請求項２】前記振動片は、音叉により与えられ、前
記電磁的素子は、前記音叉の振動片の磁性体部分の近傍
に配置される電磁コイルであり、前記圧電素子は、前記
音叉の振動片の基部に取り付けられている請求項１記載
の表面電位センサ。
【請求項３】前記振動片は、音叉により与えられ、前
記電磁的素子は、前記音叉の振動片の磁性体部分の近傍
に配置される電磁コイルであり、前記圧電素子は、前記
音叉の振動片とは支点を挟んで反対側において前記振動
片の振動中心に対して偏心させた位置に延長して形成さ
れた延長片に取り付けられる請求項１記載の表面電位セ
ンサ。
【請求項４】前記振動片は、音叉により与えられ、前
記電磁的素子は、前記音叉の振動片の磁性体部分の近傍
に配置される電磁コイルであり、前記圧電素子は、前記
音叉の振動片とは支点を挟んで反対側において前記振動
片の振動中心と整列した位置に延長して形成された延長
片に取り付けられる請求項１記載の表面電位センサ。
【請求項５】前記振動片は、音叉により与えられ、前
記電磁的素子は、前記音叉の振動片の磁性体部分の近傍
に配置される電磁コイルであり、前記圧電素子は、前記
音叉を取り付けた基板上に取り付けられる請求項１記載
の表面電位センサ。
【請求項６】前記電磁コイルは、前記音叉の振動片の
磁性部分の近傍へと延びる延出部を有する請求項２また
は３または４または５記載の表面電位センサ。