JP2018173347A - 表面電位センサ、表面電位測定方法及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ安価な構成で被測定面の表面電位を測定する。
【解決手段】被測定面Ｓと検知用電極１１との間には、被測定面Ｓとの間の間隔がＤ１（Ｄ１＜Ｄ０）とされたシールド電極（第２の電極）１３が、被測定面Ｓ及び検知用電極１１と絶縁されて用いられる。シールド電極１３は、検知用電極１１と被測定面Ｓの間において、これらから絶縁されて設けられるため、特に薄い薄板状とされ、スイッチ（スイッチング部）１４を介して接地電位の点と接続される。スイッチ１４のオン・オフ動作に応じて検知用電極１１上の電界は変調され、電界の変化に応じた電荷量の変化に相当する電流が検出回路１２によって検出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、感光体ドラム等の表面の電位を非接触で測定する表面電位センサ、表面電位測定方法、及びこの表面電位センサが用いられる画像形成装置に関する。

例えば特許文献１に記載されるように、媒体（用紙等）に画像を形成して出力する画像形成装置においては、感光体ドラムの表面に一様に電位が付与された後に、出力する画像に対応したパターンで感光体ドラムが露光され、露光された部分の表面電位が低下することによって、表面電位分布が生成される。その後、表面電位が低下した部分に選択的にトナーが定着した後に、定着したトナーのパターンが用紙に転写され、定着させることによって、画像が形成された用紙が出力される。カラー画像を出力する画像形成装置は、使用されるトナー種（色）毎に感光体ドラムが用いられる。

この際、良好な画像を形成するためには、感光体ドラムの表面電位を精密に制御することが必要であり、このためには、この表面電位を非接触で精密に測定することが必要になる。このような表面電位センサの構成は、例えば特許文献２に記載されている。

表面電位センサにおいては、検知用電極と測定対象（感光体ドラム）とが近接して設けられ、測定対象における被測定面の表面電位による電界によって検知用電極に誘起された電荷量を測定することによって、表面電位が算出される。ただし、一般的に、静電界で誘起された電荷量自身を直接測定することは非常に困難であり、実際には、表面電位による電界強度を変調し、変調に伴う電荷量の時間変化を電流として検出することによって、間接的に電荷量を測定する手法が用いられる。このため、一般的には、被測定面から検知用電極に至るまでの電界が周期的に変動するように変調され、この際に検知用電極に流れる電流が検出されることによって、表面電位が算出される。特許文献２に記載の表面電位センサにおいては、接地電位とされ窓が設けられたシールド電極が、この窓を介して電界が検知用電極に到達するように検知用電極と被測定面との間に設けられ、このシールド電極が検知用電極上の電界強度を変調（チョッピング）するように振動する設定とされる。この振動に応じて検知用電極に流れる電流が検出されることによって、被測定面の表面電位が算出される。この場合、シールド電極の振動を精密に制御することが必要であり、このためには圧電素子が用いられ、圧電素子が電気的に制御されることによって、シールド電極が駆動される。

同様に、他の構成によっても、圧電素子等を用いて表面電位による電界の強度を変調（チョッピング）することができ、これによって検知用電極に流れる電流を測定し、被測定面の表面電位を測定することができる。

特開２００８−５１８６９号公報 特開２００１−１８８０７６号公報

上記の構成においては、シールド電極等を駆動するための圧電素子や、圧電素子を駆動するための構成が必要となり、かつシールド電極が圧電素子によってこのように駆動されるような構造が必要となった。このため、表面電位センサが大型かつ高価となった。

一方、例えば画像形成装置においては、上記のような表面電位センサを装置内に組み込んで用いることが好ましい。特に、カラー画像を出力する画像形成装置においては、複数の感光体ドラムが用いられるため、各感光体ドラムに対応して表面電位センサが設けることが好ましい。この場合、特に、大型かつ高価の表面電位センサを用いることは困難であった。

このため、小型かつ安価な構成で被測定面の表面電位を測定できることが求められた。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決できる技術を提供することを目的とする。

本発明の表面電位センサは、測定対象における被測定面の表面電位を測定する表面電位センサであって、前記測定対象から絶縁されて前記被測定面に近接して設けられる第１の電極と、前記第１の電極と前記被測定面との間において前記第１の電極及び前記被測定面と絶縁して設けられる第２の電極と、接地電位となる接地点と前記第２の電極との間に介在し、前記接地点と前記第２の電極との間の導通のオン・オフを繰り返し制御するスイッチング部と、前記スイッチング部のオン・オフの際に前記第１の電極に流れる電流を検出する電流検出部と、を具備することを特徴とする。
本発明の表面電位センサにおいて、前記被測定面側から見て、前記第２の電極は、前記第１の電極全体を覆うように形成されたことを特徴とする。
本発明の表面電位センサは、前記第１の電極と前記被測定面との間の間隔が一様となるように前記第１の電極が形成されたことを特徴とする。
本発明の表面電位センサは、前記第１の電極と前記第２の電極との間に絶縁層が形成されたことを特徴とする。
本発明の表面電位センサは、前記第２の電極の前記第１の電極と反対側の表面に絶縁層が形成されたことを特徴とする。
本発明の表面電位センサは、前記第１の電極と前記第２の電極とが一体化されて固定された検知部を具備することを特徴とする。
本発明の表面電位測定方法は、測定対象における被測定面の表面電位を測定する表面電位測定方法であって、前記測定対象から絶縁して前記被測定面に近接して設けた第１の電極と、前記第１の電極と前記被測定面との間において前記第１の電極及び前記被測定面と絶縁して設けた第２の電極と、を用い、前記第２の電極が接地電位にある状態と浮遊電位にある状態とを交互に切り替える際の前記第１の電極に流れる電流より、前記表面電位を算出することを特徴とする。
本発明の画像形成装置は、電位が付与される円筒形状の感光体ドラムと、前記感光体ドラムに近接して設けられ、前記感光体ドラムの表面電位を検知する前記表面電位センサと、を具備することを特徴とする。
本発明の画像形成装置は、前記第１の電極、前記第２の電極のそれぞれが、前記感光体ドラムの円筒形状の表面との間の間隔が一様となるような円筒面形状とされたことを特徴とする。
本発明の画像形成装置は、金属製のフレームに装着され、電位が付与される円筒形状の感光体ドラムと、前記感光体ドラムに近接して設けられ、前記感光体ドラムの電位を検知する前記表面電位センサと、を具備する画像形成装置であって、前記フレームの一部が前記第２の電極とされたことを特徴とする。

上記の構成により、小型かつ安価な構成で被測定面の表面電位を測定することができる。

本発明の実施の形態となる表面電位センサの構成を簡略化して示す図である。 本発明の実施の形態となる表面電位センサにおける検知部の構成を示す断面図（その１）である。 本発明の実施の形態となる表面電位センサにおける検知部の構成を示す断面図（その２）である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る表面電位センサの構成を簡略化して示す、あるいは本発明の実施の形態に係る表面電位測定方法を示す図である。この表面電位センサにおいて、測定対象Ｏの一表面である被測定面Ｓの接地電位に対する電位が表面電位として測定される。測定対象Ｏは例えば円筒形状の被測定面Ｓを具備する感光体ドラムである。金属で構成された検知用電極（第１の電極）１１は、この被測定面Ｓと間隔Ｄ０の距離に載置される。従来より知られる表面電位センサと同様に、この表面電位センサにおいても、検知用電極１１において流れる電流が検出回路（電流検出部）１２によって検出され、この電流は、検知用電極１１の表面における電界強度の時間変化に対応して流れる。

被測定面Ｓと検知用電極１１との間には、被測定面Ｓとの間の間隔がＤ１（Ｄ１＜Ｄ０）とされたシールド電極（第２の電極）１３が、被測定面Ｓ及び検知用電極１１と絶縁されて用いられる。Ｄ１、Ｄ０は、被測定面Ｓにおける測定対象の領域においては一様となるように設定され、かつ、Ｄ０は、被測定面Ｓの表面電位による電界が検知用電極１１の表面で十分に強くなるように、小さく設定される。特許文献２等に記載の表面電位センサにおいては、検知用電極上での電界強度の変調（時間的変化）が、窓が設けられたシールド電極の機械的振動によってもたらされたが、この表面電位センサにおいては、このような機械的な振動は用いられない。

シールド電極１３は、検知用電極１１と被測定面Ｓの間において、これらから絶縁されて設けられるため、特に薄い薄板状とされ、スイッチ（スイッチング部）１４を介して接地電位となる点（接地点）と接続される。このため、スイッチ１４がオンの場合にはシールド電極１３の電位は接地電位となり、スイッチ１４がオフの場合には浮遊電位となる。なお、ここでいう接地電位は、表面電位の基準となる。また、測定される表面電位よりも十分に小さく安定した一定の電位も、ここでは実質的に接地電位とみなすことができる。

シールド電極１３は、金属材料で構成され、被測定面Ｓ側から見て検知用電極１１が覆われるように設けられ、特許文献２に記載のシールド電極のような窓は設けられない。スイッチ１４としては、電気信号の入力に応じたスイッチング動作が可能なリレーや、半導体スイッチング素子を用いることができる。この場合、スイッチ１４に一定の周波数のパルス信号を入力させ、このパルス信号がのＨｉｇｈレベルの場合にオン、Ｌｏｗレベルの場合にオフとなる設定とすることにより、シールド電極１３が接地電位にある状態と浮遊電位にある状態とを切り替えることができる。

図１の構成においては、スイッチ１４のオン・オフに応じてシールド電極１３の状態が変化し、これに応じて検知用電極１１における電界強度が変化する。スイッチ１４がオンの場合には、シールド電極１３の電位は強制的に接地電位となるため、被測定面Ｓの表面電位による電界はシールド電極１３により遮蔽され、この電界は検知用電極１１に到達せず、これによって誘起される電荷量は零となる。一方、スイッチ１４がオフの場合には、シールド電極１３は電気的に浮遊状態となるため、特にその厚さがＤ０よりも十分に薄ければ、検知用電極１１上の電界強度は、シールド電極１３が存在しない場合と変わらない。このため、検知用電極１１上には、被測定面Ｓの表面電位に応じた電荷が誘起される。

このため、スイッチ１４のオン・オフ動作に応じて検知用電極１１上の電界は変調され、電界の変化に応じた電荷量の変化に相当する電流が検出回路１２によって検出される。この電流は電界強度に比例し、Ｄ０が定められている場合には、この電流から被測定面Ｓの表面電位を算出することができる。このためには、例えばＤ０やスイッチ１４に入力されるスイッチング用のパルス信号を固定した場合における被測定面Ｓの表面電位と検知用電極１１で検出される電流との間の関係を予め求めておけばよい。

なお、図１の構成において、スイッチ１４のオン・オフに伴うシールド電極１３の電位状態の時間変化の時定数は、シールド電極１３の周囲に形成される容量成分等に依存する。このため、スイッチ１４のオン・オフを制御するパルス信号の周波数は、この時定数に応じ、検出回路１２によって十分に高精度で電流が検出できるように設定される。

上記のように電界強度の変調に応じた電流を検知用電極で検知するという点については、特許文献２等に記載の表面電位センサと同様である。しかしながら、図１の構成においては、機械的にシールド電極１３を操作するための機構である圧電素子や、これを駆動するための機構は用いられず、代わりに、シールド電極１３の電位状態を制御するためのスイッチ１４が用いられる。このため、この表面電位センサを小型、安価とすることができる。

また、特許文献２等に記載の表面電位センサにおいては、大きなシールド電極を機械的に高速で操作することが必要であるため、これに関わる部分の機械的な耐久性も問題となる。これに対して、図１の構成においては、少なくとも機械的に可動となる大きな部分は設けられないため、高い耐久性も得られる。

図１においては、本発明の実施の形態に係る表面電位センサの構成が簡略化して示されていた。表面電位の検出精度を高めるためには、図１においてＤ０、Ｄ１等は精密に維持することが好ましい。更に、検知用電極１１表面の電界強度を高くするためには、Ｄ０を小さくすることが好ましく、このためにはＤ１を小さくすることが必要となる。一方で、Ｄ１が小さいと、シールド電極１３が被測定面Ｓと直接接する、あるいは特に表面電位の絶対値が高い場合にはシールド電極１３と被測定面Ｓとの間で放電（リーク）が発生するおそれがある。こうした場合には、本来測定すべきであった表面電位が変動する。

このため、特に、検知用電極１１とシールド電極１３とが一体化され、かつシールド電極１３と被測定面Ｓとがある程度以下に近接することが抑制されるような構成とすることが好ましい。図２は、こうした構成を具備する検知部２０の構成を示す断面図である。ここで、測定対象Ｏは円筒形状の被測定面Ｓを具備する感光体ドラムであり、図２は、この円筒形状の中心軸に沿った断面を示している。図３は、そのＡ−Ａ方向の断面図であり、この円筒形状の中心軸と垂直な断面を示している。なお、図２、３においては、構造の特徴を強調するために、検知用電極１１、シールド電極１３等の厚さは実際よりも大幅に厚く記載されている。

この検知部２０においては、検知用電極１１とシールド電極１３とが基板２１の上で一体化されている。検知部２０は、絶縁性の基板２１上において、検知用電極１１、第１絶縁層（絶縁層）２２、シールド電極１３、第２絶縁層（絶縁層）２３が順次積層されて構成されている。検知用電極１１は図示の範囲外で配線（図示せず）によって検出回路１２と接続され、シールド電極１３は図示の範囲外で他の配線（図示せず）によってスイッチ１４と接続されている。

測定対象Ｏの被測定面Ｓは円筒形状であり、かつ、前記の通り、シールド電極１３、検知用電極１１と被測定面Ｓとの間の間隔は精密に制御する必要がある。このため、図２、３の構成においては、シールド電極１３と被測定面Ｓとの間には第２絶縁層２３が、シールド電極１３と検知用電極１１との間には第１絶縁層２２が、それぞれ設けられている。図３における第２絶縁層２３の上面は、被測定面Ｓよりも僅かに大きな曲率半径の円筒形状とされる。また、シールド電極１３の上面及び第２絶縁層２３の下面、シールド電極１３の下面及び第１絶縁層２２の上面、検知用電極１１の上面及び第１絶縁層２２の下面は、それぞれ被測定面Ｓを構成する円（円筒形状）と同心円を構成するように設けられる。

この検知部２０における第２絶縁層２３と被測定面Ｓとを、シールド電極１３と被測定面Ｓとの間の間隔が一様にＤ１となるように近接させることによって、検知用電極１１と被測定面Ｓとの間の間隔を一様にＤ０とし、かつシールド電極１３が被測定面Ｓ、検知用電極１１と絶縁された状態で、測定を行うことができる。こうした場合においても、シールド電極１３が被測定面Ｓと直接接すること、あるいは被測定面Ｓとシールド電極１３との間で放電が発生することは、第２絶縁層２３によって抑制される。また、検知用電極１１とシールド電極１３の位置関係は、第１絶縁層２２によって維持される。

実際には、検知用電極１１、シールド電極１３は、共に基板２１よりも十分に薄い薄膜状とすることができるため、その表面が上記のような同心円の外側の同心円（円筒形状）となるように基板２１を形成すれば、この表面上に金属層、絶縁層を交互に膜厚を制御して成膜することによって、図３のように、検知用電極１１、シールド電極１３を円筒面形状とすることができる。なお、実際の感光体ドラムを測定対象Ｏとした場合には、図３において、検知部２０の基板２１上の各層は実際よりも厚く、かつその湾曲が強調されて示されており、実際には、被測定面Ｓの曲率半径と比べて、Ｄ０、Ｄ１や各層の厚さは無視できる程度に小さい。このため、実際には、基板２１の表面を被測定面Ｓと同一の曲率半径の円筒面形状とし、その上に薄膜状の検知用電極１１、第１絶縁層２２、シールド電極１３、第２絶縁層２３を順次形成すれば、実質的に図３の構造の検知部２０を得ることができる。また、図３の構成においては、基板２１が用いられたが、上記の測定ができる限りにおいて、基板２１を用いる必要はない。

また、図１、２の構成においては、シールド電極１３が検知用電極１１よりも大きく設定され、被測定面Ｓ側から見て、シールド電極１３が検知用電極１１を覆うように形成されている。これによって、シールド電極１３が接地電位となった際に、検知用電極１１に達する電界が十分に遮蔽されるため、検知用電極１１上の電荷量の変動が大きくなり、検知される電流が大きくなる。しかしながら、表面電位の算出が十分に可能な程度に大きさの電流が検出回路１２で検出できる限りにおいて、シールド電極１３の大きさは適宜設定することができる。

上記の表面電位センサは、小型となるため、画像形成装置に組み込んで用いることが特に容易である。この際、複数の感光体ドラムが用いられる場合には、各々に対応してこの表面電位センサを設けることもできる。この場合、図２、３に示された検知部２０を各感光体ドラム毎に設け、図１における検出回路１２、スイッチ１４等を共通として切り替えて用いることにより、更に全体の構成を小型とすることができる。

また、上記の検知部の構造は単純であるために、これを小型化することが容易である。この場合、検知部を特に小型として、単一の感光体ドラムに対して複数の検知部を設ける、あるいは検知部の感光体ドラムに沿った位置が調整可能な構成とすれば、感光体ドラムの表面電位の分布を測定することもできる。

ただし、検知部や検知用電極（第１の電極）、シールド電極（第２の電極）の形状は、被測定面の形状に応じて適宜設定することができる。このため、上記の表面電位センサは、任意の形状の被測定面の表面電位を測定することができ、画像形成装置における感光体ドラム以外の、各種の構造物の表面電位を同様に測定することができる。

あるいは、上記のように検知用電極とシールド電極とが一体化された検知部を用いずに、図１の構成を実現することもできる。例えば、検知用電極（第１の電極）は上記の目的のために専用の部品として設けるが、シールド電極（第2の電極）の大きさは適宜設定することができるため、被測定面（測定対象）と検知用電極との間にある導体の部品をシールド電極（第２の電極）として用いることができる。例えば、画像形成装置においては、感光体ドラムは金属製のフレーム中に装着されて使用されるが、このフレームの一部を上記のシールド電極として用いることができる。

この場合には、フレームの電位が接地電位、浮遊電位となるように切り替えられる構成とし、フレーム、感光体ドラムとの間の位置関係が固定されるように検知用電極（第１の電極）を設置すればよい。この場合には、感光体ドラムとフレームとの間の位置関係は一定であるため、検知用電極とフレームとの間の位置関係が固定されるように検知用電極を設置すればよく、絶縁層を介してフレームに検知用電極を固定することができる。この場合、例えば、絶縁性のテープ等を用いて薄膜状の検知用電極をフレームに固定して用いることができる。こうした場合においても、例えばシールド電極の状態の切り替えの条件を定めて感光体ドラムの表面電位を変えた場合に検知用電極に流れる電流のデータを予め取得すれば、上記と同様に感光体ドラムの表面の表面電位を測定することができる。

感光体ドラムが複数用いられる場合にこうした構成を適用した場合には、実質的には各感光体ドラム毎に検知用電極のみを設ければよい。このため、表面電位を測定するための構成が特に単純、安価となり、この画像形成装置を安価とすることができる。同様に、測定対象近傍に固定された導電性の部品をシールド電極として用いることもできる。更に、測定対象やシールド電極となる部品との間の位置関係が固定され、かつ上記の検知用電極と同様に測定対象の表面電位によって電荷が誘起され、この電荷に起因する電流が流れうる部品を検知用電極として用いることもできる。すなわち、本発明の実施の形態となる表面電位測定方法は、上記のような検知部を用いずに、測定対象の近傍に設けられた部品を用いて実行することもできる。

１１ 検知用電極（第１の電極）
１２ 検出回路（電流検出部）
１３ シールド電極（第２の電極）
１４ スイッチ（スイッチング部）
２０ 検知部
２１ 基板
２２ 第１絶縁層（絶縁層）
２３ 第２絶縁層（絶縁層）
Ｏ 測定対象
Ｓ 被測定面

Claims (10)

1. 測定対象における被測定面の表面電位を測定する表面電位センサであって、
   前記測定対象から絶縁されて前記被測定面に近接して設けられる第１の電極と、
   前記第１の電極と前記被測定面との間において前記第１の電極及び前記被測定面と絶縁して設けられる第２の電極と、
   接地電位となる接地点と前記第２の電極との間に介在し、前記接地点と前記第２の電極との間の導通のオン・オフを繰り返し制御するスイッチング部と、
   前記スイッチング部のオン・オフの際に前記第１の電極に流れる電流を検出する電流検出部と、
   を具備することを特徴とする表面電位センサ。
2. 前記被測定面側から見て、前記第２の電極は、前記第１の電極全体を覆うように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の表面電位センサ。
3. 前記第１の電極と前記被測定面との間の間隔が一様となるように前記第１の電極が形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面電位センサ。
4. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１校に記載の表面電位センサ。
5. 前記第２の電極の前記第１の電極と反対側の表面に絶縁層が形成されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の表面電位センサ。
6. 前記第１の電極と前記第２の電極とが一体化されて固定された検知部を具備することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の表面電位センサ。
7. 測定対象における被測定面の表面電位を測定する表面電位測定方法であって、
   前記測定対象から絶縁して前記被測定面に近接して設けた第１の電極と、
   前記第１の電極と前記被測定面との間において前記第１の電極及び前記被測定面と絶縁して設けた第２の電極と、を用い、
   前記第２の電極が接地電位にある状態と浮遊電位にある状態とを交互に切り替える際の前記第１の電極に流れる電流より、前記表面電位を算出することを特徴とする表面電位測定方法。
8. 電位が付与される円筒形状の感光体ドラムと、
   前記感光体ドラムに近接して設けられ、前記感光体ドラムの表面電位を検知する請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の表面電位センサと、
   を具備することを特徴とする画像形成装置。
9. 前記第１の電極、前記第２の電極のそれぞれが、前記感光体ドラムの円筒形状の表面との間の間隔が一様となるような円筒面形状とされたことを特徴とする請求項８に記載の画像形成装置。
10. 金属製のフレームに装着され、電位が付与される円筒形状の感光体ドラムと、
    前記感光体ドラムに近接して設けられ、前記感光体ドラムの電位を検知する請求項１に記載の表面電位センサと、
    を具備する画像形成装置であって、
    前記フレームの一部が前記第２の電極とされたことを特徴とする画像形成装置。

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