JP2014186018A - 電位検出装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトに構成でき、対象部材の表面電位を精度良く検出する電位検出装置を提供する。
【解決手段】対象部材の表面電位を検出する電位検出装置であって、対象部材に対して略垂直方向にそれぞれ異なる距離を空けて配置された少なくとも２つのピエゾ内蔵型カンチレバーと、対象部材とピエゾ内蔵型カンチレバーとの間に働く原子間力によるピエゾ内蔵型カンチレバーのたわみ量に基づいて対象部材の表面電位を測定する測定手段と、少なくとも２つのピエゾ内蔵型カンチレバーを相互に一定の距離を空けて保持する保持手段とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、電位検出装置及び画像形成装置に関する。

近年、電子写真方式を利用したプリンター、デジタル複合機の高画質化・高安定化が進んでいる。特にマニュアルや提案書等の印刷を扱う企業内のコピーセンターに代表されるプロダクションプリントの市場をターゲットとした高速機はその傾向が顕著である。このような市場においては、オフィス向け製品以上に、長期にわたり安定して高い画質を出力できる製品が求められている。

一方、電子写真方式の不安定性をもたらす要因の１つとして、経時での各部材の性能劣化がある。劣化する部材としては様々なものがあるが、画像品質への影響が大きなものとしては、感光体の光疲労がある。具体的には、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トナーが現像されにくくなるという性能劣化である。

特に、プロダクションプリントの市場に向けた製品のように画像形成が非常に高速化されてくると、消去露光から次の帯電までの時間が短くなり、光疲労の回復時間を十分に確保できず、光疲労がますます発生し易くなる。その結果、正常な状態が回復されないまま次の画像形成がなされることになり、その光疲労が生ずる発生箇所は濃度ムラの現象を起こして画質を著しく低下させてしまう。特に、感光体の長手方向に光疲労のムラが発生した場合、その画像濃度ムラを補正することはとりわけ困難である。

感光体の光疲労が進行した場合、初期画質を維持する為には、書き込み光量の調整等、制御方式により初期レベルの画質を維持する、もしくは、劣化した感光体を交換する等の対策が必要である。特に、プロダクションプリントの市場に向けた製品では、画質の安定性は求められるため、できる限り早期の段階で、劣化の状態を検知することが求められる。その一方で、光疲労の進行は、簡単には検知することができないのが現状である。

上記に関し、特許文献１には、直前の画像形成動作後の経過時間に応じて帯電電位を制御することにより、光疲労の回復の程度に応じて濃度調整を可能とする、感光体の表面電位制御装置が開示されている。また、特許文献２には、光電センサにより感光体上の画像濃度を検出し、この検出濃度と基準値との比較結果により帯電量と露光量を調整する複写画像調整方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、表面電位を非接触方式で検出する表面電位センサを搭載することで、帯電後の電位や、露光後の電位を検知・制御する表面電位検出装置が開示されている。

特許文献１に開示された感光体の表面電位制御装置によれば、光疲労特性に近似した帯電出力の補正が可能となり、濃度の一定した画像形成が可能となる。しかし、特許文献１の表面電位制御装置においては、長手方向の光疲労ムラをキャンセルすることができない。

また、特許文献２に開示された複写画像調整方法は簡易的な構造で実装し易い方法ではある。しかし、感光体の検出濃度に基づいて感光体の表面状態を検出することは精度の良い方法ではなく、微小な領域での劣化の進行を正しく認識することは困難である。

また、特許文献３に開示された表面電位検出装置は、感光体上の電位を直接検知できるため、光疲労による濃度変化の補正方法としては、優れた方法である。しかし、電位センサを小さくすることに限界があるため、長手方向の限られた箇所にしか配置できない。したがって、長手方向に光疲労ムラが発生した場合は、その疲労の度合いを正しく検知し、補正することはできない。

ここで、本発明の発明者は、カンチレバーを応用することで上記の問題を解決することを知見した。カンチレバーとよばれるシリコン製の探針を用いると微小な力を正確に計測できる為、部材表面の電荷による鏡像力から、実際に印加されている電位を評価できるとの知見を得た。

しかしながら、従来の光テコ方式とよばれる力計測方法は、そのカンチレバーの構成上、専用の計測装置として使用可能ではあるが、制御の為のコンパクトなセンシング機器としては使用できないものであった。すなわち、その構成は、カンチレバー背面にレーザー光を照射し、その反射光を４分割ディテクターで検出するというものである。また、その作用は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、たわみを、４分割ディテクター上の反射光の移動で検出するというものである。

したがって、レーザー発生源、４分割ディテクター、及び光学系が必要であり、コンパクトな構成にはできず、複写機やプリンターの内部に設置することは大変困難である。また、計測にレーザー光を使用するために、その漏れ光や反射光が、一部でも感光体に照射されると、静電潜像が乱れ、画質不良が発生してしまうという点でも、センシング機器としての使用が困難である。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、コンパクトに構成でき、対象部材の表面電位を精度良く検出する電位検出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、本発明の電位検出装置は、対象部材の表面電位を検出する電位検出装置であって、対象部材に対して略垂直方向にそれぞれ異なる距離を空けて配置された少なくとも２つのピエゾ内蔵型カンチレバーと、対象部材とピエゾ内蔵型カンチレバーとの間に働く原子間力によるピエゾ内蔵型カンチレバーのたわみ量に基づいて対象部材の表面電位を測定する測定手段と、少なくとも２つのピエゾ内蔵型カンチレバーを相互に一定の距離を空けて保持する保持手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、コンパクトに構成でき、対象部材の表面電位を精度良く検出することが可能となる。

本発明における第１実施形態の電位検出装置を備えた画像形成装置の概略構成図である。 本発明における第１実施形態の電位検出装置を適用する他の画像形成装置の概略構成図である。 本発明における第１実施形態の電位検出装置の概略構成図である。 本発明における第１実施形態における感光体の表面電位とピエゾ内蔵型カンチレバーに作用する作用力の関係を示すグラフである。 本発明における第１実施形態において表面電位に基づき露光量を調整することを示すグラフである。 本発明における第１実施形態の電位検出装置をアレイ構造にしたものである。 本発明における第１実施形態の電位検出装置において２つのピエゾ内蔵型カンチレバーの感光体に対する位置関係を示した説明図である。 本発明における第１実施形態において２つのピエゾ内蔵型カンチレバー間の距離を一定にした場合の利点を説明するグラフである。 本発明における第２実施形態の電位検出装置を備えた画像形成装置の概略構成図である。 本発明における第２実施形態の電位検出装置の概略構成図である。 本発明における第２実施形態における、それぞれのカンチレバー間に印加する交流電圧の位相を示した模式図である。 本発明における第２実施形態の電位検出装置の動作を示す模式図である。 本発明における第２実施形態の電位検出装置をアレイ構造とした概略図である。 本発明における実施形態の電位検出装置を転写ベルトの電位ムラ検出に適用した図である。 本発明における実施形態の電位検出装置を帯電ローラの電位ムラ検出に適用した図である。 カンチレバーを備えた自己検知型ＳＰＭプローブの平面図である。

［第１実施形態］
本発明における第１実施形態の電位検出装置について図面を参照して以下に説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、何ら本実施形態に限定されるものではない。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。

本実施形態の概略を以下に説明する。発明者は、コンパクトに構成でき、対象部材の一例である感光体の表面電位を精度良く検出する電位検出装置を提供するため、ピエゾ抵抗体を備えたカンチレバーを応用することを知見した。

近年、ピエゾ内蔵型カンチレバー、もしくは、自己検知カンチレバーとよばれるカンチレバーが実用化されてきている。これは、表面にピエゾ抵抗体が形成されたカンチレバーを用い、そのピエゾ抵抗体の抵抗値の変動を検出することによってカンチレバーのたわみ量を検出するものである。この方式のカンチレバーであれば、光学系を必要としない為、コンパクトな構成にすることが可能である。また、光テコ方式のように、漏れ光が感光体に届くことを考慮する必要も無くなる。

さらに重要なことは、カンチレバーの寸法はマイクロスケールであり、その他の配線および設置機構を含めても、非常にコンパクトに設計することができる。このため、センシング部を感光体の長手方向に複数配置できることである。したがって、出力した画像パターン、もしくは、材料の偏りに起因する長手方向の光疲労のムラを検知することができる。

本実施形態は、このピエゾ内蔵型カンチレバーを用い、正確に感光体表面の光疲労を検知する電位検出装置を提案するものである。これにより、画像形成装置では、より精度の良い画像濃度の制御を行うことが可能となる。また、本実施形態は、より適切なタイミングで感光体を交換する電位検出装置を提案するものでもある。これにより、より安定した画像濃度を出力できるようになる。

本実施形態の電位検出装置を備える画像形成装置の概略構成について図１を参照して説明する。本実施形態の画像形成装置１において、本体筐体内に、時計周りに回転駆動される像担持体としての感光体２０が収納されている。そして、感光体２０の周囲に、帯電部３０と、露光部４０と、本実施形態の電位検出装置１０と、現像部５０と、転写部６０と、クリーニングブラシ７０と、ブレード８０と、感光体除電部９０が配置されている。

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の間に送り出される。

画像形成装置１は、感光体２０を時計周りに回転駆動して、感光体２０を帯電部３０で一様に帯電する。その後、露光部４０により画像データで変調されたレーザーを照射して感光体２０に静電潜像を形成し、静電潜像の形成された感光体２０に現像部５０でトナーを付着させて現像する。

画像形成装置１は、現像部５０でトナーを付着してトナー画像を形成した感光体２０を、転写部６０で感光体２０と転写部６０との間に搬送されてきた記録紙に転写させ、トナー画像の転写された記録紙を定着部に搬送する。

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、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。

一方、画像形成装置１は、転写部６０でトナー画像を記録紙に転写した感光体２０をさらに回転して、クリーニングブラシ７０で感光体表面に残留するトナーをブレード８０により除去する。その後、画像形成装置１は感光体除電部９０で除電する。

画像形成装置１は、感光体除電部９０で除電した感光体２０を帯電部３０で一様に帯電させた後、上記同様に、次の画像形成を行う。なお、クリーニングブラシ７０は、ブレード８０で感光体２０上の残留トナーを掻き落とすものに限るものではなく、例えばファーブラシで感光体２０上の残留トナーを掻き落とすものであってもよい。

次に、本実施形態の電位検出装置を適用可能な他の画像形成装置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、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。

まず、タンデム型のフルカラー画像形成装置１００の概略構成について図２（ａ）を参照して説明する。画像形成装置１００においては、不図示の本体筐体内に、時計周りに回転駆動される像担持体１０２がＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）、Ｋ（ブラック）の各色分、中間転写部１０６上にタンデム配置されている。そして、中間転写部１０６に転写されたトナー像が転写部１０７において記録紙にカラー画像が転写される。

次に、リボルバタイプのフルカラー画像形成装置２００の概略構成について図２（ｂ）を参照して説明する。リボルバタイプのフルカラー画像形成装置２００は、現像装置の動作を切り替えることによって１つの像担持体上に順次複数色のトナーを現像して構成をとるものである。

つまり、図示のように、像担持体２０２上に、シアンのトナー像を現像する現像装置２０５Ｃと、マゼンタのトナー像を現像する現像装置２０５Ｍと、イエローのトナー像を現像する現像装置２０５Ｙと、ブラックのトナー像を現像する現像装置２０５Ｋがリボルバ状に配置されている。

上述した本実施形態の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ついて説明する。本発明に用いられる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体に転写するため、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。ゆえに本発明を好適に用いることができる。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、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。

次に、本実施形態の電位検出装置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）に示すように、本実施形態の電位検出装置１０は、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）を空けて配置され、ピエゾ内蔵型カンチレバーとして、カンチレバー１１と駆動機構であるピエゾ１２とから構成される。本実施形態の電位検出装置１０には、上述のようにピエゾ内蔵型カンチレバーを用いる。図１に示すように、電位検出装置１０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。

また、図３（ｂ）に示すように本実施形態の電位検出装置１０を感光体２０の長手方向に沿って保持部材１３等で保持し、所定の間隔で設置することで、感光体２０の長手方向の電位ムラを検知することが可能である。つまり、感光体２０の長手方向の電位ムラを検出する間隔は、この配置の間隔と関係がある。この所定の間隔を狭めるか、拡げるかを決定することで、電位検出装置１０のトータル設置数を制御することができる。また、所定の間隔を拡げると、電位ムラの検出精度は多少落ちるものの、ピエゾ内蔵型カンチレバーの個数が減るため、コストを低減することができる。

ピエゾ内蔵型カンチレバーを用いて行う感光体表面での鏡像力検出は、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と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。

本実施形態の電位検出装置１０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。ＳＰＭプローブの概略構成と作用について図１６を参照して説明する。

図１６は、自己検知型ＳＰＭプローブ７００の平面図である。図１６において、自己検知型ＳＰＭプローブ７００は、先端に探針７１２を設けたレバー部と、支持部とを２つの屈曲部によって連結された構成となっている。２つの屈曲部上には、それぞれピエゾ抵抗体７２２、７２４が形成されている。

ピエゾ抵抗体７２２、７２４は、特に屈曲部上において、レバー部の一部から支持部の一部に至って形成されている。さらに、ピエゾ抵抗体７２２、７２４上および支持部上には、絶縁層が形成されている。なお、図１１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。また、これら２つの屈曲部とピエゾ抵抗体７２２、７２４は、カンチレバー７０２の長手方向に探針７１２を通過する線を中心軸として、両対称に形成される。

絶縁層上においては、配線となる導電層７２６、７２８が、ピエゾ抵抗体７２２、７２４のレバー部に位置する部分から屈曲部とピエゾ抵抗体７２２、７２４の支持部に位置する部分とを介し、カンチレバーの支持部においてピエゾ抵抗体７２２、７２４の形成されていない部分にまでそれぞれ形成されている。

導電層７２６のレバー部に位置する一端と、下層のピエゾ抵抗体７２２とは、メタルコンタクト部７４２において電気的に接続される。同様に、導電層７２８のレバー部に位置する一端と、下層のピエゾ抵抗体７２４とは、メタルコンタクト部７４４において電気的に接続される。

さらに、絶縁層上において、配線となる導電層７３２、７３４が、ピエゾ抵抗体７２２、７２４の支持部に位置する部分から、支持部においてピエゾ抵抗体７２２、７２４の形成されていない部分に至ってそれぞれ形成されている。

導電層７３２のピエゾ抵抗体７２２に位置する一端と、下層のピエゾ抵抗体７２２とは、メタルコンタクト部７３６において電気的に接続される。同様に、導電層７３４のピエゾ抵抗体７２４に位置する一端と、下層のピエゾ抵抗体７２４とは、メタルコンタクト部７３８において電気的に接続される。

このように、カンチレバー７０２のレバー部と支持部とが２つの屈曲部によって連結され、ピエゾ抵抗体を、それら屈曲部上にレバー部から支持部にわたって直線状に形成しているので、屈曲部をピエゾ抵抗体形成領域として有効に利用でき、細く形成することが可能となる。そのため、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。

さらに、それぞれのピエゾ抵抗体の抵抗値を読み出すために、ピエゾ抵抗体の両端からピエゾ抵抗体にそれぞれ電気的に接続したメタルコンタクト部を形成して、両メタルコンタクト部から、カンチレバー７０２の支持部におけるピエゾ抵抗体の形成されていない部分へと、配線となる導電層が、下層に酸化層を配した状態で導かれている。

すなわち、屈曲部のピエゾ抵抗体の抵抗値変化を、支持部上に導かれた２つの導電層から読み出すことができ、それら抵抗値変化からカンチレバー７０２のたわみ量および反り量を検出することができる。このため、信号処理部は、抵抗値とたわみ量や反り量の参照データを照合する。

なお、この場合の信号処理部は、ピエゾ抵抗体の抵抗値と、たわみ量や反り量との対応関係を予め求めておき、入力とされる抵抗値から、たわみ量や反り量を求めることができる。

次に、本実施形態の電位検出装置１０により表面電位ムラを検出した場合は、その結果を基に、露光量を調整することで、画像濃度ムラを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、露光後電位が高い領域が存在する場合は、その領域のみ、光量を強くし、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。

なお、本実施形態の電位検出装置１０は、上述した駆動機構としてのピエゾ１２により動的にバネ定数の高いカンチレバーを発振させて、その振幅変化、もしくは、周波数変化を検出することで、感光体の表面電位を検出することができる。カンチレバーの発振させるためのピエゾ１２を設けることためのコストアップは発生するが、表面電位の検出感度を上げることが可能である。

発振可能なピエゾ内蔵型カンチレバーとしては、自己検知型カンチレバーを用いることができる。カンチレバーの発振方法としては、一般的な原子間力顕微鏡の手法と同じであり、カンチレバー１１の根元に設置したピエゾ１２を周期的に伸び縮みさせることで、カンチレバーを発振させる。

これに対し、図３（ｃ）に示すように、ピエゾ内蔵型カンチレバーとして、比較的、バネ定数の低い、ピエゾ１２ａを内蔵したピエゾ内蔵カンチレバー１１ａを用い、誘導電荷によるカンチレバーの反りを静的に検出する構成をとることとしてもよい。これにより、駆動機構としてのピエゾ１２を別途設けることによるコストアップを抑えることが可能である。

また、図６に示すように、ピエゾ内蔵型カンチレバーとして、アレイ構造のものを用いるのも有効である。ここでは、アレイ構造の電位検出装置３００として、ピエゾ内蔵型カンチレバー３１０を３つ並べてアレイ構造とした構成を採用している。

このようなアレイ構造とすることで、使用中にカンチレバーの破損、性能劣化が発生した際にも、他のカンチレバーを使用することで、継続して感光体の表面電位をモニターし続けることができる。アレイを構成するカンチレバーの数は、当然、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で構成するのが好適である。

次に、本実施形態の電位検出装置１０について図７及び図８を参照して具体的に説明する。本発明の発明者は、検知対象の部材と距離が異なる２つの位置にピエゾ内蔵型カンチレバーを配置することが有効であることを知見した。

感光体等の検知の対象部材は、装置が動作中は回転や移動しているため、常に、振れが発生する。ピエゾ内蔵型カンチレバーで検知する鏡像力検出は、対象部材との距離に依存するため、振れによって距離変動が発生すると、検出する鏡像力と、鏡像力から算出する電位値も変動することになる。例えば、感光体であれば、１０〜５０μｍ程度の振れは発生するが、この距離の変動が鏡像力の検出値に直接に影響することになる。ここで、感光体等の対象部材上の電荷により、ピエゾ内蔵型のカンチレバーに反対極性の電荷が誘起され、対象部材とピエゾ内蔵型のカンチレバーとの間に作用するクーロン力が生じる。このクーロン力が鏡像力のことであり、対象部材上の電荷の量によりクーロン力が変化する。このクーロン力の作用により、ピエゾ内蔵型のカンチレバーは対象部材側へ引っ張られるように変形する。この変形が、たわみ量や反り量として検知される。

そこで、本実施形態の電位検出装置１０は、図７に示すように、検知の対象部材としての感光体２０に対して略垂直方向にそれぞれ異なる距離を空けて、位置１と位置２とに２つのピエゾ内蔵型カンチレバーを配置している。さらに、所定の保持部材１４により２つのピエゾ内蔵型カンチレバーを相互に一定の距離を空けて保持している。なお、保持部材としては、２つのピエゾ内蔵型カンチレバーを相互に一定の距離を空けて保持できる構造であれば、図７に記載の構造に限定されない。また、２つのピエゾ内蔵型カンチレバーの固定方法としては、ネジ等の固定部材で固定してもよく、接着剤等により固定してもよい。

ここでは、例えば感光体２０から約２００μｍ空けてピエゾ１２ｘを備えたカンチレバー１１ｘが配置され、ピエゾ１２ｙを備えたカンチレバー１１ｙがピエゾ内蔵型カンチレバー１１ｘとの間に一定の距離、約１００μｍを空けて配置されている。

このように、対象部材と距離の異なる２つの位置にカンチレバーを配置し、かつ、これらのカンチレバーを構成し、装置の動作中も、カンチレバー間の距離は変動しないように配置して鏡像力を検出することで上述の感光体の振れに対応することができる。いずれのカンチレバーとも、感光体２０との距離は装置の動作中に変動し得るが、カンチレバー間の距離は常に１００μｍと固定である。

本実施形態において、上述のようにカンチレバー間の距離を常に１００μｍと固定することにより得られる利点について、図８を参照して説明する。図８は、横軸に感光体２０の表面からのカンチレバーの距離Ｘ［μｍ］をとり、縦軸にカンチレバーに働く鏡像力Ｆ［ｎＮ］をとって、両者の相関をみるグラフである。そして、感光体２０の表面電位が１００Ｖの場合に得られる数値を『◆』で示し、感光体２０の表面電位が２００Ｖの場合に得られる数値を『□』で示し、感光体２０の表面電位が５００Ｖの場合に得られる数値を『×』で示している。

また、図８（ａ）は、感光体２０に振れが全く発生しないとした理想的な状態を示したグラフであり、この場合は、各カンチレバー単体で感光体２０の表面電位を検出することができる。一方、図８（ｂ）は、感光体２０に振れが発生して、カンチレバーと感光体２０との間隔が上記の理想的な状態より狭くなった状態を示している。また、図８（ｃ）は、感光体２０に振れが発生して、カンチレバーと感光体２０との間隔が上記の理想的な状態より広くなった状態を示している。

ここで、検出値である鏡像力Ｆに対して、感光体の表面電位Ｖ、感光体と感光体側のカンチレバーの距離Ｘとした場合、Ｖ＝ｋ×Ｆ／Ｘが成立する。なお、ｋは予め決定可能な比例定数である。Ｘは装置の動作中に変動するため未知数となり、カンチレバーと感光体間の距離が１水準の状態では、距離Ｘと感光体の表面電位Ｖの２つの未知数は求めることができない。

一方、上記のように常に、感光体２０との距離を２水準に変えて、さらにカンチレバー同士の距離を１００μｍと固定にし、鏡像力を検出できれば、Ｖ＝ｋ×Ｆ／Ｘ、Ｖ＝ｋ×Ｆ／（Ｘ＋１００）の２式から、２つの未知数ＶとＸを求めることができる。つまり、２つのカンチレバーが感光体２０に対しての距離を異ならせ、さらに、２つのカンチレバー間の距離を固定することで、２つの未知数を求めることができる。

カンチレバー間の距離は、対象部材の変動よりも大きく、かつ、対象部材から離れている、例えば本実施形態では位置２のカンチレバー１１ｙでも鏡像力が検知できるように設定することが望ましい。本実施形態の一例では、１００μｍとしたが、具体的には、距離５０〜１００μｍに設定するのが好適である。

［第２実施形態］
次に、本発明における第２実施形態の電位検出装置について図面を参照して説明する。なお、第１実施形態と重複する内容については説明を省略する。

まず、本実施形態と第１実施形態との違いについて説明する。第１実施形態の電位検出装置によれば、ピエゾ内蔵型カンチレバーを用い、正確に感光体表面の光疲労を検知する等により、より精度の良い画像濃度の制御を行うことが可能となる。

一方、電子写真方式の画像形成装置においては、地汚れやクリーニング不良等、微量かつ点在する異常トナーが発生するような不具合が見られる。クリーニング不良等を防ぐため、異常トナーを検出する必要があるが、トナー電荷によって発生する電位は感光体等の部材上の電位よりもさらに小さいため、これを解決する構成を第１実施形態に加える必要がある。そこで、本発明者は、電圧印加手段により、ピエゾ内蔵型カンチレバーに所定の電圧を印加することで電位検知精度を向上させて、トナーの有無を検出する本実施形態の構成を知見した。

さらに、本実施形態においては、印加する電圧を所定の交流電圧とし、カンチレバーへの最大印加電圧、つまりピークツーピーク電圧を上げて、電位検出精度を上げることとした。また、対象部材の線速に応じて電圧周波数を変える制御を行う。これにより、カンチレバー下をトナーが通過する際に、その交流周期が通過時間以下になるような、交流電圧をカンチレバーに印加するようにした。本実施形態によれば、カンチレバーに電圧を印加することで、電位計測時のカンチレバー変位が増幅されて、トナー電位レベルの微小電位が計測できるので、部材表面上のトナー電位とトナー存在の有無を正確に検出可能となり、画像形成装置が動作中の異常発生によるユーザー負荷を低減することが可能となる。ここで、ピークツーピーク電圧とは、交流電圧を印加した際の最大電圧と最小電圧の差分である。

なお、本実施形態においては、専らトナーを検知する実施態様について説明するが、本発明はこれに限定されず、対象部材の電位検出の精度を高めることが必要なシーンにおいて適用することができる。

本実施形態の電位検出装置を備えた画像形成装置４００の概略構成について図９を参照して説明する。図９に示すように、本実施形態においては、電位検出装置としての、ピエゾ内蔵型カンチレバーによるセンシング部４１０を、ブレード８０の下流側に設置する。また、図３（ｂ）で示すように、第１実施形態と同様に、感光体の長手方向に対して平行に隙間無くカンチレバーを設けることで、感光体の長手方向全域でのクリーニング不良を検知することができる。

ピエゾ内蔵型カンチレバーを用いての電位検出は、電圧印加により誘起されたカンチレバーの電荷と、感光体表面およびトナーの電荷との間に作用するクーロン力を、カンチレバーのたわみ、そり量として検出することによって行う。具体的には、ピエゾ内蔵型カンチレバー４１１には、電圧印加手段４１４により、ピークツーピーク電圧１〜５００Ｖ、周波数１〜１００ｋＨｚの交流電圧を印加し、ピーク電圧時点でのカンチレバーのたわみ、そり量を検出することで、電位を推定する。

カンチレバー近傍に電荷が存在すれば、その鏡像力を検出することで、電位を検出することも可能だが、本実施形態のように、トナーのように微小の電位を検出する場合には、カンチレバーに電圧を印加して、カンチレバーの変形量を大きくすることが有効である。このように、交流電圧をピエゾ内蔵型カンチレバーに印加するのは、カンチレバーの変形量を大きくし、検出SN比を上げることである。この結果、感光体等の対象部材上の電荷によるものより大きな電荷がピエゾ内蔵型カンチレバーに存在することになり、対象部材上の電荷とピエゾ内蔵型カンチレバー上の電荷による鏡像力が増加する。

カンチレバーに直流電圧を印加することによっても、検出するカンチレバーの変形量を増幅できる。しかし、交流電圧の方が、電圧印加によるカンチレバーへの負荷は小さいため、長期間、安定して電圧を印加し続けるためには、交流電圧を用いるのが良い。この場合、重要なのはカンチレバー変位のピークツーピーク信号なので、得られた変位信号にハイパスフィルターをかければよい。なお、交流電圧の方が直流電圧より電圧印加時の安定性が良いため、本実施形態では交流電圧を例示しているが、直流電圧であっても良いことは言うまでもない。

さらに、カンチレバーに印加する電圧、周波数のより具体的な値は、カンチレバー、感光体間のギャップ、感光体線速等で最適化すべきであるが、近年、画像形成装置に係る各部の高速化が進んでいるため、この点を反映させて周波数を設定しなければならない。

例えば、現状、製品化されている画像形成装置であれば、感光体線速は、１００ｍｍ／ｓから１０００ｍｍ／ｓである。線速１０００ｍｍ／ｓで駆動している感光体上で、１ドットレベル程度、すなわち、約３０ｕｍ角の大きさのトナー層を検出するためには、３０ｕｓｅｃの時間幅で２、３周期の交流電圧を印加しなければならない。このため、周波数を約１００ｋＨｚに設定する必要がある。

ここで、本実施形態のように２つのカンチレバーに電圧を印加する場合に、カンチレバー相互に作用する電界の影響を考慮した構成が必要である。これについて図１０を参照して説明する。

つまり、対象部材から距離の異なる２つのカンチレバー間で相互に電界が作用し、それぞれのカンチレバーの変形量が変わることにより検知精度に与える影響を考慮しなければならない。例えば、位置１のカンチレバー４１１ｘに印加した電圧により電界が発生し、その電界で位置２のカンチレバー４１１ｙが変形すると、感光体や感光体上のトナーの電位によるカンチレバーの変形量の検出精度が下がる。

そこで、図１０に示すように２つのカンチレバーの間に、電界を遮断する電界遮断手段としてのシート４１３を配置することで、それぞれのカンチレバーから発生する電界を遮蔽する。これにより精度良く、感光体、およびトナーの電位を検出することが可能となる。なお、シート４１３は、導電性のある部材で構成し、かつ接地されている。例えば、Ａｌ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ）やＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）の１ｍｍ厚のシートをカンチレバー間に配置することで、より精度の良い検出が可能となる。なお、図示の都合、第１実施形態では示した保持部材１４を省略している。

ところで、上述のように、カンチレバー間にシート４１３を配置する場合、位置１のカンチレバー４１１ｘ、２のカンチレバー４１１ｙそれぞれに同位相の交流電圧を印加すると、感光体２０上の電位をモニタリングする位置は同じにはならない。

そこで、本実施形態においては、図１１に示すように、それぞれのカンチレバー間に印加する交流電圧の位相をずらした状態で、電位をセンシングする。これにより、図１２に示すように、感光体２０上の同一の位置、例えばトナーＴをモニタリングすることが可能となる。矢印Ｒは、感光体２０が回転する方向を示している。なお、具体的な位相のずれ量は、感光体線速と周方向のカンチレバーアレイ間の距離によって決定する。例えば、位相のずれ量は、感光体線速４００ｍｍ／ｓ、ピエゾ内蔵型のカンチレバーのアレイ間の距離１ｍｍの場合、異なるカンチレバーアレイ間で同一の感光体の位置を検知する場合の時間差は２．５ｍｓｅｃとなる。印加する交流電圧周波数が１ｋＨｚ〔周期１ｍｓｅｃ〕とすれば、時間差２．５ｍｓｅｃは、カンチレバー間で２．５周期の位相ずれに相当するので、カンチレバー間の位相差は１８０°に設定すれば良い。

次に、図１３（ａ）に示すように、例えば感光体２０の長手方向に沿ってカンチレバーを複数並べたアレイ構造とした本実施形態の電位検出装置において、電位検出に与える影響を考慮する必要がある。その影響とは、本手法での検出ノイズ要因の１つに、感光体２０の回転により発生する気流によってカンチレバーが変形することで、電位検出の際、ノイズを発生させるというものである。

そこで、本実施形態においては、図１３（ａ）のＺ部分を拡大表示した図１３（ｂ）のように、長手方向に連なるカンチレバーアレイで、隣り合うカンチレバーの支点を交互に反転して配置した。これにより、それぞれの信号の平均を求めることで、気流による検出ノイズを低減することが可能である。

感光体の近傍で発生する気流は、感光体の線速や、カンチレバー自体を含むセンシング部の配置、経時での回転振れ変動等で複雑に変化する。これに対して、図１３（ｂ）で示した配置とすれば、隣り合うカンチレバー間で、カンチレバーの支点とレバー自体が、感光体の回転方向に対して、対称になるように配置されているので、感光体の回転とカンチレバー自身を含むセンシング部の配置によって発生するランダムな気流の影響をキャンセルすることができる。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。例えば、本実施形態の電位検出装置１０は、検知した電位ムラから露光量制御を行うことによる画像濃度補正に適用する以外に、ユーザーに感光体の交換メッセージを提示する際にも適用することができる。例えば、露光量で現像ポテンシャルを調整しきれない程、光疲労が極度に進行した場合は、感光体交換のメッセージをユーザーに知らせることで、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。

また、本実施形態の電位検出装置は、図１４及び図１５に示すように、他の電子写真部材の状態検知にも適用可能である。図１４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構成であり、図１５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構成である。

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ことにも適用可能である。転写ベルトや帯電ローラの場合、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。

１、４００ 画像形成装置
１０、３００、５０１、６０１ 電位検出装置
１１、３１０、４１１ カンチレバー
１１ａ ピエゾ内蔵カンチレバー
１２ ピエゾ（駆動機構）
１３、１４ 保持部材
２０ 感光体
３００ アレイユニット
５０２ 中間転写ベルト
６０３ 帯電ローラ
７００ 自己検知型ＳＰＭプローブ

特開平０２−１６３７７１号公報 特開昭５７−７６５６４号公報 特許第４０７６０６３号公報

Claims (11)

1. 対象部材の電位を検出する電位検出装置であって、
   前記対象部材に対して略垂直方向にそれぞれ異なる距離を空けて配置された少なくとも２つのピエゾ内蔵型カンチレバーと、
   前記対象部材と前記ピエゾ内蔵型カンチレバーとの間に働く原子間力による前記ピエゾ内蔵型カンチレバーのたわみ量に基づいて前記対象部材の電位を測定する測定手段と、
   前記少なくとも２つのピエゾ内蔵型カンチレバーを相互に一定の距離を空けて保持する保持手段とを備えることを特徴とする電位検出装置。
2. 前記ピエゾ内蔵型カンチレバーに所定の電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電位検出装置。
3. 前記電圧印加手段により、前記ピエゾ内蔵型カンチレバーに所定の交流電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２記載の電位検出装置。
4. 前記電圧印加手段は、前記ピエゾ内蔵型カンチレバーに印加する交流電圧の周波数を前記対象部材の線速に応じて制御することを特徴とする請求項３記載の電位検出装置。
5. 前記２つのピエゾ内蔵型カンチレバーの間に電界を遮断する電界遮断手段を備えることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電位検出装置。
6. 前記電圧印加手段は、前記２つのピエゾ内蔵型カンチレバーそれぞれに印加する交流電圧の位相を前記対象部材の線速に応じて所定位相ずらす制御を行うことを特徴とする請求項５記載の電位検出装置。
7. 前記ピエゾ内蔵型カンチレバーを複数並べたアレイ構造とすることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の電位検出装置。
8. 前記複数のピエゾ内蔵型カンチレバーの支点を交互に反転して並べたことを特徴とする請求項７記載の電位検出装置。
9. 請求項１から８の何れか１項に記載の電位検出装置を感光体上に備えることを特徴とする画像形成装置。
10. 請求項１から８の何れか１項に記載の電位検出装置を帯電ローラ上に備えることを特徴とする画像形成装置。
11. 請求項１から８の何れか１項に記載の電位検出装置を転写ベルト上に備えることを特徴とする画像形成装置。

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