JPH08146065A - 表面電位測定方法およびその測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、表面電位測定方法およびその測定
装置に関し、被測定体の表面電位の測定誤差を減少させ
ることができ、被測定体の表面電位を高精度に測定する
ことができる表面電位測定方法を提供することを目的と
している。 【構成】 信号検出部25、信号増幅部26、Ｖ₁ 、Ｖ₂検
知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20の出力部に、これら
各出力部から出力される信号のノイズを複数のノイズフ
ィルタ28〜32によって除去するとともに、測定電極23を
被測定体22からの距離の異なる位置の間を大きく変動さ
せることにより、測定電極23の各々の位置での出力信号
を検知している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導電体あるいは絶縁体
等の被測定体の表面電位を非接触に設けられた測定電極
により測定する表面電位測定方法およびその測定装置に
関し、詳しくは、被測定体と測定電極との間の距離から
表面電位を正確に測定する表面電位測定方法およびその
測定装置に関する。例えば、複写機、ファックス、印刷
機、プリンター、プロッター等の感光体あるいは現像ロ
ーラ等の帯電電位の制御およびその装置に適用される。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種の分野において、導電体や絶
縁体等（被測定体）の表面電位を検出し測定する必要性
が多々あり、特に、電子写真複写機等の分野において
は、画質向上のために感光体上の表面電位を正確に検知
して、その表面電位を制御することが重要となってい
る。その表面電位を検知する手段としては、従来、被測
定体の電荷のリークが生じないよう非接触型の表面電位
計測手段(表面電位センサ)が用いられている。

【０００３】非接触型の表面電位計測手段としては、電
気的な手段と機械的な手段とに大別できるが、電気的な
手段は特殊な機能材料を使用するため高価となり、ま
た、帯電吸着によるセンサ電極表面の汚染や使用する絶
縁物の分極により感度が低下してしまう。一方、機械的
な手段はセンサ電極の汚れによる感度変化が少なく、比
較的安価に作製できるという点で、現在、専ら用いられ
ている。

【０００４】この機械的な手段による表面電位の測定に
は、センサ電極に入射する電気力線を周期的に遮断する
ことによりセンサ電極上に誘起される電荷の量を変化さ
せて交流信号を得るチョッパ型と、センサ電極を被測定
体からの電界方向に周期的に振動させることにより被測
定体とセンサ電極との間の静電容量を周期的に変化させ
その変化に応じて発生する交流信号を取り出す振動容量
型とがある。どちらの方式も比較的小型に作製でき、安
定した出力値が得られるものであるが、いずれの方式も
被測定体とセンサ電極との間の静電容量がその間の測定
距離の逆数に比例するため、得られる出力値が測定距離
に依存して大きく変化してしまう。そのため、例えば複
写機等の感光体ドラムのように動いている被測定体の表
面電位を測定する場合、出力値の変化が測定距離の変動
に因るものなのか、あるいは被測定体の表面電位分布に
因るものなのか判断できないという問題が生じ、被測定
体の表面電位を正確に得ることが困難であるという不具
合があった。

【０００５】このような不具合を解消するため、現在、
測定距離が変動しても出力変動が極めて少ない測定距離
補正型の表面電位センサが種々考案されており、例えば
米国Ｔｒｅｋ社製の表面電位センサ（B.T.Williams et
al.:U.S.Patent 3,852,667(1974)）が実用化されてい
る。この表面電位センサ（以降、第１従来例という）
は、出力信号を積分型の高圧発生器に入力して出力信号
に応じた高電圧を発生させ、それをセンサプローブのハ
ウジングにフィードバックすることにより、被測定体と
ハウジングとの電位を同電位にしてその間の静電容量を
打ち消して出力値が測定距離に依存しないようになって
いる。

【０００６】また、特開昭６２−１１８２６７号公報に
は、チョッパ型の表面電位センサに、一定の距離差で固
定された２個以上の測定電極を設け、電極間の交流出力
信号を利用して測定距離の変動を補正することにより、
被測定体の表面電位を正確に測定するもの（以降、第２
従来例という）が開示されている。ところが、第１従来
例にあっては、高圧発生器を使用するため装置が非常に
高価となり、また、フィードバック回路を設けるため装
置構成が複雑となってしまう。さらに、センサプローブ
が高電圧となるため取り扱いに注意を要する等の不具合
があった。

【０００７】また、第２従来例にあっては、センサ電極
の前に入射する電気力線を遮断するためのチョッパ電極
等を設けるとともに、測定距離の補正を行うために測定
電極を２個以上設けるので、装置構成が複雑となり装置
全体の大きさが大型になってしまう。また、部品点数も
多くなるためコストアップの要因となる。さらに、チョ
ッパ型の表面電位センサでは、測定電極が常に静止して
いる状態にあるので、センサを長期間使用していると帯
電吸着等により測定電極上に塵埃が付着堆積し、センサ
電極表面が汚染されるために感度が低下して正確な測定
ができなくなるという不具合も生じる。これは、トナー
等を使用する粉塵の多い電子写真複写機の中で使用する
場合に特に問題となる。

【０００８】このような種々の不具合を解消するため
に、本出願人は、先に特願平５ー２４６６５２号を提出
しており、図30のように示される。図30においては、Ｐ
ＺＴセラミック等の圧電材料単体には測定電極１が固設
されており、この測定電極１を導電体あるいは絶縁体等
の被測定体に対して測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の間で変動させ
ることによって、被測定体と測定電極１との間の静電容
量を変化させ、被測定体の表面電位に対応して誘起され
静電容量の変化に伴い変化する測定電極１の測定距離Ｌ
₁ 、Ｌ₂ に位置するときの電位を信号検出部２で検出し
た後、信号増幅部３で増幅し、この信号増幅部３によっ
て増幅された信号から出力値の異なる出力信号Ｖ₁ 、Ｖ
₂ をＶ₁信号検知部４およびＶ₂信号検知部５で検知した
後、その出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ から信号補正部６によって
測定距離Ｌ₁ 、あるいはＬ₂ を求め、その測定距離Ｌ₁
あるいはＬ₂ から出力信号Ｖ₁ あるいはＶ₂ の出力値を
補正してその出力値Ｖ₀から被測定体の正確な表面電位
Ｖ_S を導出している。

【０００９】このようにすれば、測定電極１を増やすこ
となく異なる出力値の出力信号Ｖ₁、Ｖ₂ を簡易に検知
することができ、正確な表面電位Ｖ_S を導出することが
できる。また、測定電極１を変動させるので、粉塵等の
付着を抑えて汚染を少なくすることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先に出
願された特願平５ー２４６６５２号に記載されたものに
あっては、導電体あるいは絶縁体等の被測定体の表面電
位を非接触に設けられた測定電極１によりきわめて簡単
な構成で、正確かつ容易に測定することができるが、被
測定体の表面電位に対応して測定電極１に誘起される電
位を信号検出部２において検出する場合に、得られる電
位検出信号にはノイズ信号が含まれて出力されることか
ら、被測定体の正確な表面電位を検出することが困難で
あった。

【００１１】また、Ｖ₁信号検知部４およびＶ₂信号検知
部５によって出力信号を検知する際、あるいは信号補正
部６により出力信号Ｖ₁および出力信号Ｖ₂から表面電位
Ｖ_Sに依存する出力値Ｖ₀を演算出力する際にも各々の出
力信号にノイズが含まれて出力されるため、被測定体の
表面電位を誤差なく高精度に検出することが困難であ
り、未だ改良の余地がある。

【００１２】また、特願平５ー２４６６５２号に記載さ
れたものにあっては、高精度に表面電位を検出するた
め、測定電極１の変動幅を大きくして被測定体と測定電
極１との間の静電容量を大きく変化させる必要がある
が、その静電容量を大きくするため、ＰＺＴセラミック
等の圧電材料単体に測定電極１を取り付けて、測定電極
１をＰＺＴセラミック等の圧電材料単体によって変動さ
せている。しかしながら、このようにＰＺＴセラミック
等の圧電材料単体によって被測定体１を変動させると、
機械的応力によって圧電材料にひび(クラック)が入った
り、割れたりすることがあるとともに、圧電材料に過電
圧を印加した場合には、分極が壊れたりすることがあ
る。

【００１３】また、特願平５ー２４６６５２号に記載さ
れたものにあっては、静電容量を大きくするため、音叉
または振動片等の先端部分に測定電極を取り付け、それ
らに板状の圧電材料を張り付けたものも適用している
が、このようにした場合には、測定電極の変動幅を増大
させること自体困難であり、変動幅を大きくするために
機械的な共振点を利用した場合でも、測定電極１の変動
が音叉または振動片等の機械的振動に因るところが多く
なるため、変動幅が周囲環境(温度、湿度等)に影響され
て不安定となり、測定精度を十分に向上させることがで
きず、未だ改良の余地がある。

【００１４】そこで、請求項１記載の発明は、測定電極
の電位検出信号、２つ以上の出力信号および被測定体の
表面電位を導くための信号に生じるノイズを除去するこ
とにより、被測定体の表面電位の測定誤差を減少させる
ことができ、被測定体の表面電位を高精度に測定するこ
とができる表面電位測定方法を提供することを目的とし
ている。

【００１５】請求項２、３記載の発明は、測定電極を大
きく変動させて被測定体および測定電極の間の静電容量
を大きく変化させることにより、被測定体の表面電位を
測定精度を大幅に向上させることができる表面電位測定
方法を提供することを目的としている。請求項４記載の
発明は、電位検出手段、出力検知手段および表面電位導
出手段のそれぞれの出力部にノイズを除去するノイズフ
ィルタを設けることにより、簡単な構成で被測定体の表
面電位の測定誤差を減少させることができ、被測定体の
表面電位を高精度に測定することができる安価な表面電
位測定装置を提供することを目的としている請求項５記
載の発明は、電位検出手段、出力検知手段および表面電
位導出手段のそれぞれから出力される信号のうち必要な
信号のみを通過あるいは増幅させるノイズフィルタを設
けることにより、電位検出手段、出力検知手段および表
面電位導出手段から出力される信号に応じたノイズを効
果的に除去することができ、被測定体の表面電位をより
一層高精度に測定することができる安価な表面電位測定
装置を提供することを目的としている請求項６、７記載
の発明は、測定電極を大きく変動させて被測定体および
測定電極の間の静電容量を大きく変化させることによ
り、簡単な構成で被測定体の表面電位を測定精度を大幅
に向上させることができる表面電位測定装置を提供する
ことを目的としている。

【００１６】請求項８記載の発明は、ＰＺＴセラミック
等の圧電材料単体に測定電極を固設したもののように変
動時に圧電材料にひび等が入って破損するのを防止しつ
つ測定電極を大きく変動できるようにして、簡単な構成
で被測定体の表面電位を測定精度を大幅に向上させるこ
とができる表面電位測定装置を提供することを目的とし
ている。

【００１７】請求項９、10記載の発明は、測定電極を大
きく変動させることができる小型かつ安価な表面電位測
定装置を提供することを目的としている。請求項11記載
の発明は、測定電極を被測定体からの距離の異なる位置
の間を大きく変動させることができる小型かつ安価な表
面電位測定装置を提供することを目的としている。

【００１８】請求項12、13記載の発明は、測定電極を大
きさの異なる変動幅で大きく変動させることができる小
型かつ安価な表面電位測定装置を提供することを目的と
している。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項１記載の発明は、被測定体から所定間隔を隔てた位
置に配設され該被測定体と電気的に独立した測定電極に
より被測定体の表面電位を測定する表面電位測定方法で
あって、前記被測定体と測定電極との間の静電容量を変
化させ、被測定体の表面電位に対応して誘起され該静電
容量の変化に伴い変化する測定電極の電位を検出し、次
いで、該検出信号から少なくとも出力値の異なる２つ以
上の出力信号を検知した後、該出力信号から被測定体の
表面電位を導き出すようにした表面電位測定方法におい
て、前記測定電極の電位検出信号、２つ以上の出力信号
および被測定体の表面電位を導くための信号に生じるノ
イズの少なくとも１つ以上を除去することを特徴として
いる。

【００２０】上記目的達成のため、請求項２記載の発明
は、請求項１記載の発明において、前記検出信号から少
なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知する
方法として、前記測定電極を被測定体からの距離の異な
る位置の間を大きく変動させて、被測定体と測定電極と
の間の静電容量を大きく変化させ、各々の位置での出力
信号を検知することを特徴としている。

【００２１】上記目的達成のため、請求項３記載の発明
は、請求項１記載の発明において、前記検出信号から少
なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知する
方法として、前記測定電極を大きさの異なる変動幅で大
きく変動させて、被測定体と測定電極との間の静電容量
を大きく変化させ、各々の変動幅での出力信号を検知す
ることを特徴としている。

【００２２】上記目的達成のため、請求項４記載の発明
は、被測定体から所定間隔を隔てた位置に該被測定体と
電気的に独立した測定電極を配設した表面電位測定装置
であって、前記被測定体と測定電極との間の静電容量を
変化させる容量変化手段と、被測定体の表面電位に対応
して誘起され静電容量の変化に伴い変化する測定電極の
電位を検出する電位検出手段と、該検出信号から少なく
とも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知する出力
検知手段と、該出力信号から被測定体の表面電位を導き
出す表面電位導出手段と、を備えた表面電位測定装置に
おいて、前記電位検出手段、出力検知手段および表面電
位導出手段の出力部の少なくとも１つ以上にノイズを除
去するノイズフィルタを設けたことを特徴としている。

【００２３】上記目的達成のため、請求項５記載の発明
は、請求項４記載の発明において、前記ノイズフィルタ
が、電位検出手段、出力検知手段および表面電位導出手
段のそれぞれから出力される信号のうち必要な信号のみ
を通過あるいは増幅させることを特徴としている。上記
目的達成のため、請求項６記載の発明は、請求項４また
は５記載の発明において、前記容量変化手段に、前記測
定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間を大きく
変動させる電極変動手段を設け、該電極変動手段により
測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間を大き
く変動させて被測定体と測定電極との間の静電容量を大
きく変化させ、前記出力検知手段が、測定電極の異なる
それぞれの位置での電位検出手段による検出信号から出
力値の異なる２つ以上の出力信号を検知することを特徴
としている。

【００２４】上記目的達成のため、請求項７記載の発明
は、請求項４または５記載の発明において、前記容量変
化手段に、前記測定電極を大きさの異なる変動幅で大き
く変動させる電極変動手段を設け、該電極変動手段によ
り測定電極を大きさの異なる変動幅で大きく変動させて
被測定体と測定電極との間の静電容量を大きく変化さ
せ、前記出力検知手段が、測定電極の異なるそれぞれの
変動幅での電位検出手段による検出信号から出力値の異
なる２つ以上の出力信号を検知することを特徴としてい
る。

【００２５】上記目的達成のため、請求項８記載の発明
は、請求項６または７記載の発明において、前記電極変
動手段に、測定電極が固設されたユニモルフ型、あるい
はバイモルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構
付積層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルを設
け、測定電極が固設されたユニモルフ型、あるいはバイ
モルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層
型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルを駆動する
ことにより、測定電極を大きく変動させることを特徴と
している。

【００２６】上記目的達成のため、請求項９記載の発明
は、請求項８記載の発明において、測定電極が固設され
たユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエ
ータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエータ、
あるいは電磁コイルの駆動電圧として、直流電圧または
周期的に変化する電圧を印加することを特徴としてい
る。

【００２７】上記目的達成のため、請求項10記載の発明
は、請求項８または９記載の発明において、前記ユニモ
ルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータの一
端側または両端側を支持したことを特徴としている。上
記目的達成のため、請求項11記載の発明は、請求項８記
載の発明において、前記ユニモルフ型、あるいはバイモ
ルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型
圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧と
して、前記測定電極を被測定体からの距離の異なる位置
の間を変動させる第１の電圧と、該異なる位置の間で変
動する被測定電極を振動させる第２の電圧と、が重畳さ
れた電圧を印加することを特徴としている。

【００２８】上記目的達成のため、請求項12記載の発明
は、請求項８記載の発明において、測定電極が固設され
たユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエ
ータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエータ、
あるいは電磁コイルの駆動電圧として、大きさの変動す
る電圧を印加したことを特徴としている。上記目的達成
のため、請求項13記載の発明は、請求項８記載の発明に
おいて、前記ユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電
アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチ
ュエータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、周波
数の変動する電圧を印加したことを特徴としている。

【００２９】

【作用】請求項１記載の発明では、被測定体と測定電極
との間の静電容量を変化させ、被測定体の表面電位に対
応して誘起され該静電容量の変化に伴い変化する測定電
極の電位を検出し、次いで、該検出信号から少なくとも
出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知した後、該出
力信号から被測定体の表面電位を導き出すようにしてい
る。このため、その出力信号から正確な測定距離を求め
ることができ、その測定距離から出力値を補正すること
によりその出力値から被測定体の表面電位が導き出され
る。したがって、測定電極を増やすことなく、正確な表
面電位が導出される。

【００３０】さらに、前記測定電極の電位検出信号、２
つ以上の出力し信号および被測定体の表面電位を導くた
めの信号に生じるノイズの少なくとも１つ以上を除去し
ているので、被測定体の表面電位の測定誤差を減少させ
ることができ、被測定体の表面電位を高精度に測定する
ことができる。請求項２記載の発明では、検出信号から
少なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知す
る方法として、測定電極を被測定体からの距離の異なる
位置の間を大きく変動させて、被測定体と測定電極との
間の静電容量を大きく変化させ、各々の位置での出力信
号を検知している。したがって、２つ以上の出力信号の
出力差を大きくすることができ、被測定体の表面電位を
測定精度を大幅に向上させることができる。

【００３１】請求項３記載の発明では、検出信号から少
なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知する
方法として、測定電極を大きさの異なる変動幅で大きく
変動させて、被測定体と測定電極との間の静電容量を大
きく変化させ、各々の変動幅での出力信号を検知するよ
うにしている。したがって、２つ以上の出力信号の出力
差を大きくすることができ、被測定体の表面電位を測定
精度を大幅に向上させることができる。

【００３２】請求項４記載の発明では、被測定体と測定
電極との間の静電容量を変化させる容量変化手段と、被
測定体の表面電位に対応して誘起され静電容量の変化に
伴い変化する測定電極の電位を検出する電位検出手段
と、該検出信号から少なくとも出力値の異なる２つ以上
の出力信号を検知する出力検知手段と、該出力信号から
被測定体の表面電位を導き出す表面電位導出手段と、が
備えられる。したがって、その出力信号から正確な測定
距離を求めることができ、その測定距離から出力値を補
正することによりその出力値から被測定体の表面電位が
導き出される。したがって、測定電極を増やすことな
く、簡単かつ安価な構成で正確な表面電位が導出され
る。

【００３３】そして、電位検出手段、出力検知手段およ
び表面電位導出手段のそれぞれの出力部の少なくとも１
つ以上にノイズを除去するノイズフィルタが設けられる
ので、被測定体の表面電位の測定誤差を減少させること
ができ、被測定体の表面電位を高精度に測定することが
できる。請求項５記載の発明では、ノイズフィルタが、
電位検出手段、出力検知手段および表面電位導出手段の
それぞれから出力される信号のうち必要な信号のみを通
過あるいは増幅させるようになっているので、容量変化
手段、電位検出手段および表面電位導出手段から出力さ
れる信号に応じたノイズのみを効果的に除去することが
でき、被測定体の表面電位を安価な構成でより一層高精
度に測定することができる。

【００３４】請求項６記載の発明では、容量変化手段
に、測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間を
大きく変動させる電極変動手段を設け、該電極変動手段
により測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間
を大きく変動させて被測定体と測定電極との間の静電容
量を大きく変化させ、出力検知手段が、測定電極の異な
るそれぞれの位置での電位検出手段による検出信号から
出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知するようにな
っている。したがって、２つ以上の出力信号の出力差を
大きくすることができ、被測定体の表面電位を測定精度
を大幅に向上させることができる。

【００３５】請求項７記載の発明では、容量変化手段
に、測定電極を大きさの異なる変動幅で大きく変動させ
る電極変動手段を設け、該電極変動手段により測定電極
を異なる変動幅で変動させて被測定体と測定電極との間
の静電容量を大きく変化させ、出力検知手段が、測定電
極の所定値以上の異なるそれぞれの変動幅での電位検出
手段による検出信号から出力値の異なる２つ以上の出力
信号を検知するようになっている。したがって、２つ以
上の出力信号の出力差を大きくすることができ、被測定
体の表面電位を測定精度を大幅に向上させることができ
る。

【００３６】請求項８記載の発明では、電極変動手段
に、測定電極が固設されたユニモルフ型、あるいはバイ
モルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層
型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルが設けら
れ、測定電極が固設されたユニモルフ型、あるいはバイ
モルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層
型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルを駆動する
ことにより、測定電極を大きく変動させるようにしてい
る。したがって、ＰＺＴセラミック等の圧電材料単体に
測定電極を固設した従来の電極変動手段のように変動時
に圧電材料にひび等が入って破損するのを防止すること
ができるとともに、測定電極を大きく変動させることが
可能となり、簡単な構成で被測定体の表面電位を測定精
度を大幅に向上させることができる。

【００３７】請求項９記載の発明では、測定電極が固設
されたユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチ
ュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエー
タ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、直流電圧ま
たは周期的に変化する電圧が印加されるようになってい
るので、小型な電極変動手段で測定電極を大きく変動さ
せることができる。

【００３８】請求項10記載の発明では、ユニモルフ型、
あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータの一端側また
は両端側が支持されるので、小型な電極変動手段で測定
電極を大きく変動させることができる。請求項11記載の
発明では、ユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電ア
クチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュ
エータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、前記測
定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間を変動さ
せる第１の電圧と、該異なる位置の間で変動する被測定
電極を振動させる第２の電圧と、が重畳された電圧が印
加されるので、測定電極が被測定体からの距離の異なる
位置の間を大きく変動するとともに、振動する。

【００３９】請求項12記載の発明では、ユニモルフ型、
あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡
大機構付積層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイ
ルの駆動電圧として、大きさの変動する電圧を印加して
いるので、測定電極が大きさの異なる変動幅で大きく変
動する。請求項13記載の発明では、ユニモルフ型、ある
いはバイモルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機
構付積層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルの
駆動電圧として、周波数の変動する電圧を印加するよう
にしているので、測定電極が大きさの異なる変動幅で大
きく変動する。

【００４０】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１〜図14は本発明に係る表面電位測定方法を実施するそ
の測定装置の第１実施例を示す図であり、本実施例は請
求項１、２、４〜６、８〜10の何れかに記載の発明に対
応している。

【００４１】まず、構成を説明する。図１および図２に
おいて、21はチョッパ型の表面電位センサであり、表面
電位センサ21は被測定体22に所定間隔を隔てて対向し電
気的に独立するよう配設されるとともに被測定体22の表
面に対して鉛直方向に周期的に変動する測定電極23と、
振動して互いの間隔を開閉する一対のチョッパ電極24
と、信号検出部25（電位検出手段）と、信号増幅部26
と、信号増幅部26により増幅された検出信号から出力値
の異なる出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ を検知するＶ₁ 、Ｖ₂ 検知
部27ａ、27ｂ（出力検知手段）と、Ｖ₁ 、Ｖ₂検知部27
ａ、27ｂにより検知された出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂から測定
距離Ｌを求め出力信号Ｖ₁ または出力信号Ｖ₂ を補正し
その出力値から被測定体22の表面電位Ｖ_S に対応する出
力信号Ｖ₀ を得る信号補正部20と、信号検出部25、信号
増幅部26、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正
部20の出力部に設けられ、これら各出力部から出力され
る信号のノイズを除去する複数のノイズフィルタ28〜32
と、により構成されている。

【００４２】なお、このノイズフィルタ28〜32として
は、抵抗器、コンデンサ、コイル等の受動素子のみを利
用して構成されるものや、ＯＰアンプ等の能動素子と受
動素子との組合せで構成されるフィルタ等を使用すれば
良い。また、その種類としては、低域(低い信号周波数)
通過型、高域(高い信号周波数)通過型、帯域(必要な中
心周波数)通過型等を使用して、その中から信号検出部2
5、信号増幅部26、Ｖ₁、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信
号補正部20から出力される信号に応じたものを選択すれ
ば良い。

【００４３】表面電位センサ21の測定電極23は、図３に
示すように、板状に形成された例えば、ＰＺＴ等からな
る一対の圧電材料33ａ、33ｂの中央付近に固設されてい
る。この一対の圧電材料33ａ、33ｂはその間に金属製の
板ばね34が挟持されており、両端側を固定部材35に固定
して両持ち梁状に支持されたバイモルフ型の圧電アクチ
ュエータを構成している。

【００４４】また、圧電材料33は図示していない電圧供
給手段により周期的に変化する電圧を印加することによ
って駆動し、測定電極23を被測定体22の表面に対して近
接および離隔する鉛直方向に移動させ被測定体22からＬ
₁ 離隔した位置（図１に実線で示している）とＬ₂ （Ｌ
₁ ＋ｄ）離隔した位置（図１に一点鎖線で示している）
の間を変動させるようになっている。すなわち、バイモ
ルフ型圧電アクチュエータは電極変動手段を構成してい
る。

【００４５】また、表面電位センサ21は、チョッパ電極
24を正弦波状に振動させるとともに圧電材料33を駆動し
て測定電極23を被測定体22からＬ₁ およびＬ₂ 離隔した
位置に変動させて測定電極23と被測定体22との間の静電
容量を変化させることによって、測定電極23のそれぞれ
の位置で信号検出部25により検出され信号増幅部26によ
り増幅された検出信号から、Ｖ₁ 検知部27ａが被測定体
22からの距離Ｌ₁ における出力信号Ｖ₁ を、またＶ₂ 検
知部27ｂが被測定体22からの距離Ｌ₂ における出力信号
Ｖ₂ を検知する。

【００４６】この出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ の出力値は、測定
距離に依存して変動するため図４に示すように、測定電
極23の位置によりそれぞれ異なり、測定距離をＬ₁ とＬ
₂ との間（間隔ｄ）で周期的あるいは非周期的に変動さ
せることにより、図５に示すように正弦波状に変動した
異なる出力値を有する信号が得られる。すなわち、チョ
ッパ電極24およびバイモルフ型圧電アクチュエータは容
量変化手段を構成している。なお、チョッパ電極24の振
動は正弦波状に限らず、矩形波状、台形波状、三角波
状、鋸波状、またはパルス波状等の周期的、あるいは非
周期的な振動を用いても表面電位の検出は可能である。

【００４７】そして、信号補正部20は得られた出力信号
Ｖ₁ 、Ｖ₂ を用いて被測定体22の表面電位Ｖ_S に依存せ
ずに測定距離Ｌ₁ を一義的に求め、その測定距離Ｌ₁ と
予め既知である測定距離に対する出力信号の出力値およ
び表面電位との関係から出力信号Ｖ₁ または出力信号Ｖ
₂ の出力値を補正してその出力値から被測定体22の表面
電位Ｖ_S に対応する出力信号Ｖ₀ を導出するようになっ
ている。すなわち、信号補正部20は出力信号から被測定
体の表面電位を導き出す表面電位導出手段を構成してい
る。

【００４８】次に、本実施例の表面電位測定方法を説明
する。まず、従来の測定電極23を固定した場合の表面電
位の測定方法について簡単に説明する。チョッパ電極24
を図１に示す矢印方向に振動させることにより、被測定
体22から測定電極23に入射する電気力線を周期的に遮断
して、被測定体22と測定電極23との間に生じる静電容量
Ｃ_O を変化させて、その変化に応じて測定電極23上に誘
起される微小な電荷量の変化を信号検出部15において交
流信号として検出し、その検出信号を信号増幅部26にお
いて増幅することにより、被測定体22の表面電位Ｖ_S に
応じた出力信号Ｖ₀ を得て予め既知である表面電位Ｖ_S
と出力信号Ｖ₀ との関係からその表面電位Ｖ_S を導出す
るようになっている。

【００４９】ここで、静電容量Ｃ_O は、測定電極23の実
効面積をＳ、被測定体22と測定電極13との間の対向距離
をＬ、空気の誘電率をεair とすると、 Ｃ_O ＝ε_air （Ｓ／Ｌ） ……（１） のように表され、実効面積Ｓを変化させてＣ_O の値を変
化させている。そして、チョッパ電極24の周期的な機械
振動により生じる静電容量Ｃ_O の変化量Ｃ_C が Ｃ_C ＝α_O ・Ｃ_O ・ｓｉｎωｔ ……（２） で与えられるとする（但し、ｔは変化時間、ωは振動の
角周波数、α_O は静電容量Ｃ_O の変化率を表す。）と、
被測定体22のもつ表面電位Ｖ_S により測定電極24上に誘
起される電荷Ｑ_Cは Ｑ_C ＝Ｃ_C ・Ｖ_S ……（３） と表される。従って、測定電極23に生じる電流Ｉ_C は
（２）式および（３）式より、 Ｉ_C ＝ｄＱ_C ／ｄｔ＝α_O ・ω・Ｃ_O ・Ｖ_s ・ｃｏｓωｔ ……（４） と表され、よって測定電極から得られる出力信号ＶO
は、近似的に、 Ｖ_O ＝Ａ_O ・α_O ・ω・Ｃ_O ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（５） と表される。ただし、Ａ_O は増幅度に関する定数を表わ
す。

【００５０】本実施例では、この測定電極23を距離Ｌ₁
とＬ₂の間で変動させることにより、被測定体22の表面
電位を検出するようにしている。すなわち、チョッパ電
極24を振動させるとともに測定電極23を被測定体22から
Ｌ₁ およびＬ₂ 離隔した位置に変動させて測定電極23と
被測定体22との間の静電容量Ｃ_O を変化させ、信号検出
部25が検出する検出信号を信号増幅部26が増幅してその
検出信号からＶ₁ 検知部27ａが被測定体22からの距離Ｌ
₁ における出力信号Ｖ₁ を、Ｖ₂ 検知部27ｂが被測定体
12からの距離Ｌ₂ における出力信号Ｖ₂ を検知する。こ
こで、チョッパ型の場合、測定電極23の実効面積の変化
分をΔＳとすると、静電容量Ｃ_O の変化率α_O は、 α_O ＝ΔＳ／Ｓ ……（６） と表され、測定電極23が被測定体22からＬ₁ の距離にあ
る時の静電容量をＣ₁ 、Ｌ₂ の距離にある時の静電容量
をＣ₂ とすると、各出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ の出力式は、
（１）、（５）、（６）式を用いて、 Ｖ₁ ＝Ａ_O ・α_O ・ω・Ｃ₁ ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ＝Ａ_O ・ω・ε_air ・（ΔＳ／Ｌ₁ ）・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（７） Ｖ₂ ＝Ａ₀ ・α_O ・ω・Ｃ₂ ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ＝Ａ_O ・ω・ε_air ・（ΔＳ／Ｌ₂ ）・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（８） と表される。

【００５１】また、Ｌ₂ はＬ₂ ＝Ｌ₁ ＋ｄなので
（７）、（８）式より、測定距離Ｌ₁ について逆に求め
ることができ、表面電位Ｖ_S に依存せずにＬ₁ を一義的
に求めるには、（７）、（８）式よりＶ₁ 、Ｖ₂ の出力
比を求めればよい。例えば、出力比をＶ₂ ／Ｖ₁ とした
場合、Ｖ₂ ／Ｖ₁ は、 Ｖ₂ ／Ｖ₁ ＝Ｌ₁ ／Ｌ₂ ＝Ｌ₁ ／（Ｌ₁ ＋ｄ）＝Ｆ（Ｌ₁ ） ……（９） となり、Ｌ₁ に関しての一次関数Ｆ（Ｌ₁ ）で表され
る。この時、Ｌ₁ とＶ₂ ／Ｖ₁ との関係は図６（ａ）の
ような関係曲線で表され、出力比Ｖ₂ ／Ｖ₁ を求めれ
ば、表面電位Ｖ_S に依存せずにＬ₁ を一義的に求めるこ
とが可能となる。

【００５２】あるいは、出力比をＶ₁ ／Ｖ₂ とすればＶ
₁ ／Ｖ₂ は、 Ｖ₁ ／Ｖ₂ ＝Ｌ₂ ／Ｌ₁ ＝（Ｌ₁ ＋ｄ）／Ｌ₁ ＝Ｆ（Ｌ₁ ）’ ……（10） となり、同様にＬ₁ に関しての一次関数Ｆ（Ｌ₁ ）’で
表され、この時、Ｌ₁ とＶ₁ ／Ｖ₂ との関係は図６
（ｂ）のような関係曲線で表され、これも同様に出力比
Ｖ₁ ／Ｖ₂ を求めれば、表面電位Ｖ_S に依存せずにＬ₁
を一義的に求めることが可能となる。

【００５３】このようにして信号補正部20は、出力信号
Ｖ₁ 、Ｖ₂ から一義的に測定距離Ｌ ₁ を求めてそのＬ₁
と予め既知である測定距離に対する出力信号の出力値と
の関係から出力信号Ｖ₁または出力信号Ｖ₂ の出力値を
補正し、被測定体22の表面電位Ｖ_S に対応した出力値の
出力信号Ｖ₀ を得る。そして、この出力信号Ｖ₀ を、さ
らに予め既知である出力信号の出力値に対する表面電位
との関係から出力信号Ｖ₀ の出力値に対応する表面電位
Ｖ_S を求め、被測定体22の表面電位Ｖ_S を正確に導出す
ることができる。

【００５４】また、得られた測定距離Ｌ₁ を出力信号Ｖ
₁ あるいは出力信号Ｖ₂ の出力式である（７）あるいは
（８）式に代入し、Ｖ_S について求めることにより、被
測定体22の表面電位Ｖ_S を一義的に求めるようにしても
よい。一方、信号検出部25、信号増幅部26、Ｖ₁ 、Ｖ₂
検知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20の出力部から出力
される信号には何らかのノイズが含まれており、このノ
イズは被測定体22の表面電位を測定する際の測定誤差の
要因となる。

【００５５】本実施例では、信号検出部25、信号増幅部
26、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20の
各出力部にノイズフィルタ28〜32を設け、このノイズフ
ィルタ28〜32によって出力信号のうち必要な信号を通過
あるいは増幅し、ノイズを除去する。例えば、測定電極
23から出力されたＶ₁信号の測定誤差がノイズフィルタ2
8、29、30によって10％以下に改善されたものとする
と、その後段の信号補正部20によってＶ₂／Ｖ₁の演算処
理結果を示す信号が出力された場合にはノイズフィルタ
32によってさらに１％以下に改善されることになり、そ
の結果、Ｖ₂／Ｖ₁の値から一義的に求められる測定距離
の検出精度も10倍程度改善され、より正確な測定距離を
得ることができる。

【００５６】したがって、その得られた測定距離を利用
して検出される被測定体22の表面電位の検出精度も10倍
程度改善され、被測定体22の表面電位をさらに高精度に
検出することができる。一方、本実施例では、圧電素子
33によって測定電極23を変動させるに際して、大きく変
動させるようにしている。これは被測定体22の表面電位
を検出するに際して、図６（ａ）（ｂ）の関係曲線の傾
きを増大させると表面電位の測定精度を向上させること
ができるからである。

【００５７】すなわち、出力信号Ｖ₁、Ｖ₂の各出力差を
大きくとり、曲線の傾きを大きくすることにより、測定
距離Ｌ₁の検出精度が向上し、その検出された測定距離
から求められる表面電位の測定精度が向上することか
ら、その出力信号Ｖ₁、Ｖ₂の各出力の差を大きくとるた
めに、上記（９）（10）式から明らかなように、測定電
極23の変動幅、すなわち、測定距離Ｌ₁とＬ₂との間の間
隔ｄを増加させている。

【００５８】図７は測定距離Ｌ＝３mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定
誤差±0、3％のときにおけるＬ₁とＬ₂の間の間隔ｄと測
定距離Ｌ₁の検出精度との関係を計算した結果である。
同図のようにＬ₁とＬ₂の間の距離ｄを0.2mmから１mmま
で増加させるに従い、測定距離Ｌ₁の検出精度が向上す
ることが分かる。したがって、例えば、ｄを0.6mmにす
れば、測定距離Ｌ₁を±２％以下の精度で検出すること
が可能となり、その検出された測定距離から求められる
被測定体22の表面電位もまた±２％以下の精度で検出す
ることが可能となる。さらに表面電位の測定精度を向上
させたい場合には、ｄの大きさを増加させれば良い。

【００５９】このように本実施例によれば、チョッパ電
極24を開閉するよう振動させるとともに圧電材料33ａ、
33ｂの駆動によって測定電極23を被測定体からの測定距
離Ｌ ₁ 、Ｌ₂ の間を変動させることによって、被測定体
22と測定電極23との間の静電容量Ｃ₀ を変化させ、被測
定体22の表面電位Ｖ_S に対応して誘起され静電容量Ｃ ₀
の変化に伴い変化する測定電極23の測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂
に位置するときの電位から出力値の異なる出力信号Ｖ
₁ 、Ｖ₂ を検知することができ、その出力信号Ｖ ₁ 、Ｖ
₂ から測定距離Ｌ₁ 、あるいはＬ₂ を求め、その測定距
離Ｌ₁ あるいはＬ ₂ から出力信号Ｖ₁ あるいはＶ₂ の出
力値を補正してその出力値から被測定体22の正確な表面
電位Ｖ_S を導出することができる。したがって、測定電
極23を増やすことなく異なる出力値の出力信号Ｖ₁ 、Ｖ
₂ を簡易に検知することができ、正確な表面電位Ｖ_S を
導出することができる。また、測定電極23を変動させる
ので、粉塵等の付着を抑えて汚染を少なくすることがで
きる。

【００６０】また、信号検出部25、信号増幅部26、Ｖ
₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20の出力部
に、これら各出力部から出力される信号のノイズを除去
する複数のノイズフィルタ28〜32を設けたので、被測定
体22の表面電位の測定誤差を減少させることができ、被
測定体22の表面電位を高精度に測定することができる。
また、検出信号から少なくとも出力値の異なる２つ以上
の出力信号Ｌ₁、Ｌ₂をを検知する際に、測定電極23を被
測定体22からの距離の異なる位置Ｌ₁、Ｌ₂の間を大きく
変動させて、被測定体22と測定電極23との間の静電容量
Ｃ₀を大きく変化させ、各々の位置Ｌ₁、Ｌ₂での出力信
号Ｖ₁、Ｖ₂を検知しているので、２つ以上の出力信号Ｖ
₁、Ｖ₂の出力差を大きくすることができ、被測定体22の
表面電位を測定精度を大幅に向上させることができる。

【００６１】また、電極変動手段として、測定電極23が
固設され、板ばね34を挟んで対向する一対の圧電材料33
ａ、33ｂからなるバイモルフ型圧電アクチュエータを設
け、バイモルフ型圧電アクチュエータを駆動することに
より、測定電極23を大きく変動させるようにしているた
め、ＰＺＴセラミック等の圧電材料単体に測定電極を固
設した従来の電極変動手段のように変動時に圧電材料に
ひび等が入って破損するのを防止することができるとと
もに、測定電極を大きく変動させることが可能にするこ
とができ、簡単な構成で被測定体22の表面電位を測定精
度を大幅に向上させることができる。

【００６２】また、バイモルフ型圧電アクチュエータの
駆動電圧として、周期的または非周期的に変化する電圧
を印加するようにしているので、小型なアクチュエータ
で測定電極23を大きく変動させることができる。また、
バイモルフ型圧電アクチュエータの両端側を固定部材35
によって支持しているので、小型なアクチュエータで測
定電極23を大きく変動させることができる。

【００６３】なお、本実施例では、信号検出部25、信号
増幅部26、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正
部20の各出力部にノイズフィルタ28〜32を設けている
が、必要な測定精度、あるいは設置スペースあるいはコ
スト等に応じて何れかのノイズフィルタを除去しても良
い。好ましくは、信号検出部25あるいは信号増幅部26の
出力部側に１つ以上設ければ良く、また、要求精度によ
っては、複数個のノイズフィルタ組合せたものを所望の
出力部に設けても良い。

【００６４】また、本実施例では、電極変動手段とし
て、両持ちのバイモルフ型の圧電アクチュエータを使用
しているが、これに限らず、図８に示すように、固定部
材37に一端側を片持ちで固定されたＰＺＴ等からなる圧
電材料36および金属製の板ばね38に測定電極23が固設さ
れたユニモルフ型圧電アクチュエータを用い、圧電材料
33に電圧を印加することにより、圧電材料36を変動させ
て測定電極23を測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動さ
せても良く、また、図９に示すように圧電材料36に代え
て測定電極23を電磁コイル39の磁石部分に取り付けて、
コイル39に時間的に変化する電流を流すことによりコイ
ル39中の磁石を変動させ、その変動に伴い測定電極23を
測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させるようにして
も良い。さらに、図10に示すように、拡大機構40に取り
付けられた板ばね41を積層型圧電アクチュエータ42によ
り駆動することにより、拡大機構40により測定電極23を
測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させるようにして
も良い。この何れの電極変動手段を用いても上述したも
のと同様の効果を得ることができる。なお、ユニモルフ
型あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータは何れも片
持ちあるいは両持ちであっても良いことは言うまでもな
い。

【００６５】また、本実施例では、測定電極23を正弦波
状（図５に示している）に測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ との間
（間隔ｄ）で周期的あるいは非周期的に変動させること
により異なる出力値の出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ を得ている
が、正弦波状に限らず、矩形波状（図11）、三角波状
（図12）、鋸波状（図13）、あるいは台形波状（図14）
等に変動した異なる出力値を有する信号から得るように
してもよい。

【００６６】図15〜図24は本発明に係る表面電位測定方
法を実施するその測定装置の第２実施例を示す図であ
り、本実施例は請求項１、２、４〜６、８〜11の何れか
に記載の発明に対応している。なお、本実施例では、上
述実施例と同様な構成には同一の符号を付してその説明
を省略する。まず、構成を説明する。

【００６７】図15において、51は振動容量型の表面電位
センサであり、表面電位センサ51は被測定体22の表面に
対向して所定面積で開口する開口部52ａを有し電気的に
遮蔽されたシールドケース52内に、シールドケース52の
開口部52ａを介して被測定体22に所定間隔Ｌを隔てて対
向し電気的に独立するよう配設された測定電極53と、固
定部材54に一端側を片持ちに固定され他端側に測定電極
53が固設され、さらに、中央部が金属性の板ばね(図示
略)が介装された一対の圧電材55ａ、55ｂからなり、電
圧供給手段により電圧を印加されて駆動し、測定電極53
を被測定体22の表面に対して鉛直方向に周期的に振動し
つつ測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させるバイモ
ルフ型圧電アクチュエータ（電極変動手段）56と、信号
検出部25と、が設けられており、また図示していないが
信号増幅部25、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂ、信号補正
部20と、ノイズフィルタ28〜32と、を備えている。

【００６８】表面電位センサ51は、前記電圧供給手段に
よって正弦波状の図16（ａ）および図16（ｂ）に示すよ
うな第１および第２の電圧を重畳させた図16（ｃ）に示
す駆動電圧波形を圧電材料55ａ、55ｂに印加して駆動さ
せることにより図17に示すように、測定電極53を被測定
体22の表面に対して鉛直方向に周期的に振幅ΔＬで振動
させつつ測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させて測
定電極53と被測定体22との間の静電容量を変化させる。

【００６９】そして、測定電極53の測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂
のそれぞれの位置で信号検出部25により検出され信号増
幅部26により増幅された検出信号から、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知
部27ａ、27ｂが出力値の異なる出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ を上
述した表面電位の測定原理（振動容量型）と同様の処理
を行なって検知する。すなわち、バイモルフ型圧電アク
チュエータ56は容量変化手段を構成している。

【００７０】次に、本実施例の表面電位測定方法につい
て説明する。まず、圧電材料55ａ、55ｂに前記駆動電圧
波形を印加してΔＬで振動させるとともに測定電極53を
被測定体22からＬ₁ およびＬ₂ 離隔した位置に変動させ
て測定電極53と被測定体22との間の静電容量Ｃ_O を変化
させ、信号検出部25が検出する検出信号を信号増幅部26
が増幅してその検出信号からＶ₁ 検知部27ａが被測定体
22からの距離Ｌ₁ における出力信号Ｖ₁ を、またＶ₂ 検
知部27ｂが被測定体22からの距離Ｌ₂ における出力信号
Ｖ₂ を検知する。このＶ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂが検
知する出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ の出力値は、測定距離に依存
して変動するため上述第１実施例で得られた図４に示す
Ｖ₁ 、Ｖ₂ に対応するような出力値の異なる各々の信号
が得られる。

【００７１】次いで、振動容量型の場合、被測定体22と
測定電極53との間の静電容量Ｃ_O の変化率α_O は、測定
距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ に対し、 α₁ ＝ΔＬ／（Ｌ₁ −ΔＬ） ……（11） α₂ ＝ΔＬ／（Ｌ₂ −ΔＬ） ……（12） と表される。ここで、測定電極53が被測定体22からＬ₁
の距離にある時の静電容量をＣ₁ 、Ｌ₂ の距離にある時
の静電容量をＣ₂ とすると、各出力信号Ｖ₁ 、Ｖ ₂ の出
力式は、（１）、（５）、（11）、（12）式を用いて、 Ｖ₁ ＝Ａ_O ・α₁ ・ω・Ｃ₁ ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ＝Ａ_O ・ΔＬ／（Ｌ₁ −ΔＬ）・ω・ε_air ・（Ｓ／Ｌ₁ ） ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（13） Ｖ₂ ＝Ａ_O ・α₂ ・ω・Ｃ₂ ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ＝Ａ_O ・ΔＬ／（Ｌ₂ −ΔＬ）・ω・εair ・（Ｓ／Ｌ₂ ） ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（14） と表される。

【００７２】また、Ｌ₂ はＬ₂ ＝Ｌ₁ ＋ｄなので（1
3）、（14）式より、測定距離Ｌ₁ について逆に求める
ことができ、表面電位Ｖ_S に依存せずにＬ₁ を一義的に
求めるには、（13）、（14）式よりＶ₁ 、Ｖ₂ の出力比
を求めればよい。例えば、出力比をＶ₂ ／Ｖ₁ とした場
合、Ｖ₂ ／Ｖ₁ は、 Ｖ₂ ／Ｖ₁ ＝Ｌ₁ ・（Ｌ₁ −ΔＬ）／〔Ｌ₂ ・（Ｌ₂ −ΔＬ）〕 ＝Ｌ₁ ・（Ｌ₁ −ΔＬ）／〔（Ｌ₁ ＋ｄ）・（Ｌ₁ ＋ｄ−ΔＬ）〕 ＝Ｆ（Ｌ₁ ²） ……（15） となり、Ｌ₁ に関しての二次関数Ｆ（Ｌ₁ ²）で表され
る。この時、Ｌ₁ とＶ₂ ／Ｖ1 との関係は上述第１実施
例と同様に図６（ａ）のような関係曲線で表され、出力
比Ｖ₂ ／Ｖ₁ を求めれば、表面電位Ｖ_S に依存せずにＬ
₁ を一義的に求めることが可能となる。

【００７３】あるいは、出力比をＶ₁ ／Ｖ₂ とすればＶ
₁ ／Ｖ₂ は、 Ｖ₁ ／Ｖ₂ ＝Ｌ₂ ・（Ｌ₂ −ΔＬ）／〔Ｌ₁ ・（Ｌ₁ −ΔＬ）〕 ＝（Ｌ₁ ＋ｄ）・（Ｌ₁ ＋ｄ−ΔＬ）／〔Ｌ₁ ・（Ｌ₁ −ΔＬ）〕 ＝Ｆ（Ｌ₁ ²）’ ……（16） となり、同様にＬ₁ に関しての二次関数Ｆ（Ｌ₁ ²）’で
表され、この時、Ｌ₁ とＶ₁ ／Ｖ₂ との関係は上述第１
実施例と同様に図６（ｂ）のような関係曲線で表され、
これも同様に出力比Ｖ₁ ／Ｖ₂ を求めれば、表面電位Ｖ
_S に依存せずにＬ ₁ を一義的に求めることが可能とな
る。

【００７４】このようにして信号補正部20は、出力信号
Ｖ₁ 、Ｖ₂ から一義的に測定距離Ｌ ₁ を求めてそのＬ₁
と予め既知である測定距離に対する出力信号の出力値と
の関係から出力信号Ｖ₁ または出力信号Ｖ₂ の出力値を
補正し、被測定体22の表面電位Ｖ_S に対応した出力値の
出力信号Ｖ₀ を得る。そして、この出力信号Ｖ₀ を、さ
らに予め既知である出力信号の出力値に対する表面電位
との関係から出力信号Ｖ₀ の出力値に対応する表面電位
Ｖ_S を求め、被測定体22の表面電位Ｖ_S を正確に導出す
ることができる。

【００７５】また、得られた測定距離Ｌ₁ を出力信号Ｖ
₁ あるいは出力信号Ｖ₂ の出力式である（13）あるいは
（14）式に代入し、Ｖ_S について求めることにより、被
測定体22の表面電位Ｖ_S を一義的に求めるようにしても
よい。本実施例にあっても、信号検出部25、信号増幅部
26、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20の
各出力部にノイズフィルタ28〜32が設けらているので、
このノイズフィルタ28〜32によって出力信号のうち必要
な信号が通過あるいは増幅されてノイズが除去され、被
測定体22の表面電位の測定誤差を減少させることがで
き、被測定体22の表面電位を高精度に測定することがで
きる。

【００７６】一方、本実施例にあっても、圧電素子55
ａ、55ｂによって測定電極53を大きく変動させることに
より、図６（ａ）（ｂ）の関係曲線の傾きを増大させて
表面電位の測定精度を向上させることができる。すなわ
ち、出力信号Ｖ₁、Ｖ₂の各出力差を大きくとり、曲線の
傾きを大きくすることにより、測定距離Ｌ₁の検出精度
が向上し、その検出された測定距離から求められる表面
電位の測定精度を向上することができるため、その出力
信号Ｖ₁、Ｖ₂の各出力の差を大きくとるために、上記
（９）（10）式から明らかなように、測定電極23の変動
の変動幅ΔＬあるいは、測定距離Ｌ₁とＬ₂との間の間隔
ｄを増加させている。

【００７７】図18は測定距離Ｌ＝３mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定
誤差±0、3％における測定電極53の変動幅ΔＬと測定距
離Ｌ₁の検出精度との関係、およびＬ₁、Ｌ₂との間の間
隔ｄと測定距離Ｌ₁の検出精度との関係を計算した結果
である。図18（ａ）では、ｄ＝0、2mm一定とした場合で
ΔＬを０mmから１mmまで増加させるに従って測定距離Ｌ
₁の検出精度が向上していることが分る。

【００７８】また図18（ｂ）はΔＬ＝0.1mm一定とした
場合で、ｄを0.2mmから１mmまで増加させるに従い、測
定距離Ｌ₁の検出精度が向上している様子が分る。した
がって、この場合には、表面電位の測定精度を向上させ
る方法としては、ΔＬあるいはｄの大きさを増加させれ
ば良い。このように本実施例では、圧電材料55ａ、55ｂ
に前記駆動電圧波形を印加して測定電極53を被測定体22
からＬ₁ およびＬ₂ 離隔した位置に振動させつつ変動さ
せることによって、上述実施例の作用効果を得ることが
できる。

【００７９】また、本実施例の他の態様としては、詳述
はしないが、上述第１実施例の図８に示したユニモルフ
型アクチュエータ、図９に示した電磁コイル39、あるい
は図10に示した拡大機構付積層型圧電アクチュエータ42
に図16（ａ）（ｂ）に示す駆動電圧波形を重畳した図16
（ｃ）に示す駆動波形を印加して測定電極53を振動させ
つつ被測定体22からＬ₁ およびＬ₂ 離隔した位置に変動
させてもよい。

【００８０】なお、この駆動波形は図16（ａ）（ｂ）
（ｃ）に示すような正弦波状の波形に限らず、矩形波状
（図11）、三角波状（図12）、鋸波状（図13）、あるい
は台形波状（図14）等の周期的あるいは非周期的に変動
する波形に従う印加電圧波形を加えても良い。また、図
19〜図24でに示すようなユニモルフ型圧電アクチュエー
タ、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータ、電磁コ
イルあるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエータを適
宜組合せることにより、測定電極53を振動させつつ変動
させても良い。すなわち、図19（ａ）〜図21（ｂ）に示
すように、測定電極53を固定部材54に両持ちあるいは片
持ちに支持されたバイモルフあるいはユニモルフ型の圧
電アクチュエータ61ａ〜61ｆの中央あるいは一端側に固
設し、そのバイモルフあるいはユニモルフ型の圧電アク
チュエータ61ａ〜61ｆを電磁コイル62ａ、62ｂまたは固
定部材60に両持ちあるいは片持ちに支持された圧電材料
63ａ〜63ｄに取り付けて、図16（ａ）または図16（ｂ）
に示す一方の電圧を圧電材料61ａ〜61ｆに印加するとと
もに、他方の電圧を電磁コイル62ａ、62ｂまたは圧電材
料63ａ〜63ｄに印加することにより測定電極53を振動さ
せつつ測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させるよう
にしてもよい。

【００８１】また、図22（ａ）〜図23（ｂ）に示すよう
に、測定電極53を電磁コイル62ｃ〜62ｅに固設するとと
もに、この電磁コイル62ｃ〜62ｅを両持ちあるいは片持
ちに支持されたバイモルフあるいはユニモルフ型の圧電
アクチュエータ61ｇ、61ｈの中央あるいは一端側に固設
したり、電磁コイル64ａに積層したり、さらには、拡大
機構付積層型圧電アクチュエータ65に測定電極を固設し
てこのアクチュエータ65を電磁コイル64ｂに積層しても
良く、また、図24（ａ）（ｂ）に示すように、拡大機構
付積層型圧電アクチュエータ66ａ上に測定電極53が固設
された電磁コイル62ｆを積層したり、拡大機構付積層型
圧電アクチュエータ66ｂに測定電極53が固設されたバイ
モルフあるいはユニモルフ型の圧電アクチュエータ67を
片持ちで支持するようにし、図22（ａ）〜図23（ｂ）に
示すものにあっては、図16（ａ）または図16（ｂ）に示
す一方の電圧を電磁コイル62ｃ〜62ｅあるいは拡大機構
付積層型圧電アクチュエータ65に印加するとともに、他
方の電圧を圧電アクチュエータ61ｇ、61ｈあるいは電磁
コイル64ａ、64ｂに印加することにより測定電極53を振
動させつつ測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させる
ようにしてもよく、図24（ａ）（ｂ）にあっては、図16
（ａ）または図16（ｂ）に示す一方の電圧を電磁コイル
62ｆあるいは圧電アクチュエータ67に印加するととも
に、他方の電圧を拡大機構付積層型圧電アクチュエータ
66ａ、66ｂに印加することにより測定電極53を振動させ
つつ測定距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ の位置の間を変動させるように
してもよい。

【００８２】なお、本実施例では、測定電極53をシール
ドケース52に収納し、この測定電極53から検出された信
号を同じくシールドケース52に収納された信号検出部25
を介してシールドケース52外部の信号増幅部26で増幅し
てＶ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20およ
びノイズフィルタ28〜32により上述した信号処理が施さ
れているため、被測定体22の表面電位をより高精度に検
出することが可能である。

【００８３】また、上記第１実施例の表面電位測定装置
は、図１に示すようにチョッパ電極24によって測定電極
23の実効面積ΔＳを変化させているが、第１実施例にあ
っても本実施例のようにチョッパ電極24と電極23をシー
ルドケース52内に収納して電気的にシールドするように
しても良い。次に、図25〜図29は本発明に係る表面電位
測定方法を実施するその測定装置の第３実施例を示す図
であり、本実施例は請求項１、３、４、５、７、10、1
2、13の何れかに記載の発明に対応している。なお、本
実施例では、上述実施例と同様な構成には同一の符号を
付してその説明を省略する。

【００８４】まず、構成を説明する。図25において、71
は振動容量型の表面電位センサであり、表面電位センサ
71はシールドケース52内に、シールドケース52の開口部
52ａを介して被測定体22に所定間隔Ｌを隔てて対向し電
気的に独立するよう配設された測定電極72と、電圧供給
手段により電圧を印加されて駆動し、測定電極72を被測
定体22の表面に対して鉛直方向に異なる変動幅ΔＬ₁ お
よび変動幅ΔＬ₂ で周期的に変動させる一対の圧電材料
73ａ、73ｂが図示しない金属性の板ばねを挟持するバイ
モルフ型圧電材料（電極変動手段）と、信号検出部25
と、が設けられており、また図示していないが信号増幅
部26、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂ、信号補正部20と、
ノイズフィルタ28〜32と、を備えている。

【００８５】表面電位センサ71は、前記電圧供給手段に
よって正弦波状の図26（ａ）に示すような周期的に変動
する駆動電圧波形を圧電材料73ａ、73ｂに印加して駆動
させることにより図27に示すように、測定電極72を被測
定体22の表面に対して鉛直方向に異なる変動幅ΔＬ₁ お
よび変動幅ΔＬ₂ で周期的に変動させて測定電極72と被
測定体22との間の静電容量を変化させる。そして、測定
電極72の各々の変動幅ΔＬ₁ 、ΔＬ₂ で信号検出部25に
より検出され信号増幅部26により増幅された検出信号か
らＶ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂが出力値の異なる出力信
号Ｖ₁ 、Ｖ₂ を上述した表面電位の測定原理と同様の処
理を行なって検知する。すなわち、バイモルフ型圧電ア
クチュエータ74は容量変化手段を構成している。なお、
図26（ｂ）に示すような周波数が周期的に大きく変動す
るあるいは大きさの大きく変動する電圧を圧電材料73
ａ、73ｂに印加して駆動させることによって測定電極72
を異なる変動幅ΔＬ₁ および変動幅ΔＬ₂ で変動させて
もよい。

【００８６】次に、本実施例の表面電位測定方法につい
て説明する。まず、圧電材料73ａ、73ｂに前記駆動電圧
波形を印加して測定電極72を異なる変動幅ΔＬ₁ および
変動幅ΔＬ₂で変動させて測定電極72と被測定体22との
間の静電容量Ｃ_O を変化させ、信号検出部25が検出する
検出信号を信号増幅部26により増幅してその検出信号か
らＶ₁ 検知部27ａが変動幅ΔＬ₁ における出力信号Ｖ ₁
を、またＶ₂ 検知部27ｂが変動幅ΔＬ₂ における出力信
号Ｖ₂ を検知する。このＶ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂが
検知する出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ の出力値は、測定電極72の
変動の変化幅ΔＬ₁ 、ΔＬ₂ にほぼ比例するため上述第
１実施例で得られた図４に示すＶ₁ 、Ｖ₂ に対応するよ
うな出力値の異なる各々の信号が得られる。

【００８７】次いで、振動容量型の場合、被測定体22と
測定電極72との間の静電容量Ｃ_O の変化率α_O は、測定
距離Ｌ₁ 、Ｌ₂ に対し、 β₁ ＝ΔＬ₁ ／（Ｌ−ΔＬ₁ ） ……（17） β₂ ＝ΔＬ₂ ／（Ｌ−ΔＬ₂ ） ……（18） と表される。従って、各出力信号Ｖ₁ 、Ｖ₂ の出力式
は、（１）、（５）、（17）、（18）式を用いて、 Ｖ₁ ＝Ａ_O ・β₁ ・ω・Ｃ_O ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ＝Ａ_O ・ΔＬ₁ ／（Ｌ−ΔＬ₁ ）・ω・ε_air・（Ｓ／
Ｌ）・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（19） Ｖ₂ ＝Ａ_O ・β₂ ・ω・Ｃ_O ・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ＝Ａ_O ・ΔＬ₂ ／（Ｌ−ΔＬ₂ ）・ω・ε_air・（Ｓ／
Ｌ）・Ｖ_S ・ｃｏｓωｔ ……（20） と表される。表面電位Ｖ_S に依存せずにＬを逆に一義的
に求めるには、（19）、（20）式よりＶ₁ 、Ｖ₂ の出力
比を求めればよい。例えば、出力比をＶ₂ ／Ｖ₁とした
場合、Ｖ₂ ／Ｖ₁ は、 Ｖ₂ ／Ｖ₁ ＝ΔＬ₂ ・（Ｌ−ΔＬ₁ ）／〔ΔＬ₁ ・（Ｌ−ΔＬ₂ ）〕 ＝Ｆ（Ｌ） ……（21） となり、Ｌに関しての一次関数Ｆ（Ｌ）で表される。こ
の時、ＬとＶ₂ ／Ｖ₁ との関係は図27（ａ）のような関
係曲線で表され、出力比Ｖ₂ ／Ｖ₁ を求めれば、表面電
位Ｖ_S に依存せずにＬを一義的に求めることが可能とな
る。

【００８８】あるいは、出力比をＶ₁ ／Ｖ₂ とすればＶ
₁ ／Ｖ₂ は、 Ｖ₁ ／Ｖ₂ ＝ΔＬ₁ ・（Ｌ−ΔＬ₂ ）／〔ΔＬ₂ ・（Ｌ−ΔＬ₁ ）〕 ＝Ｆ（Ｌ）’ ……（22） となり、同様にＬに関しての一次関数Ｆ（Ｌ）’で表さ
れ、ＬとＶ₁／Ｖ₂ との関係は図27（ｂ）のような関係
曲線で表される。従って、これも同様に出力比Ｖ ₁ ／Ｖ
₂ を求めれば、表面電位Ｖ_S に依存せずにＬを一義的に
求めることが可能となる。

【００８９】このようにして信号補正部20は、出力信号
Ｖ₁ 、Ｖ₂ から一義的に測定距離Ｌ ₁ を求めてそのＬ₁
と予め既知である測定距離に対する出力信号の出力値と
の関係から出力信号Ｖ₁ または出力信号Ｖ₂ の出力値を
補正し、被測定体22の表面電位Ｖ_S に対応した出力値の
出力信号Ｖ₀ を得る。そして、この出力信号Ｖ₀ を、さ
らに予め既知である出力信号の出力値に対する表面電位
との関係から出力信号Ｖ₀ の出力値に対応する表面電位
Ｖ_S を求め、被測定体22の表面電位Ｖ_S を正確に導出す
ることができる。

【００９０】また、得られた測定距離Ｌ₁ を出力信号Ｖ
₁ あるいは出力信号Ｖ₂ の出力式である（19）あるいは
（20）式に代入し、Ｖ_S について求めることにより、被
測定体22の表面電位Ｖ_S を一義的に求めるようにしても
よい。本実施例にあっても、信号検出部25、信号増幅部
26、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 検知部27ａ、27ｂおよび信号補正部20の
各出力部にノイズフィルタ28〜32が設けらているので、
このノイズフィルタ28〜32によって出力信号のうち必要
な信号が通過あるいは増幅されてノイズが除去され、被
測定体22の表面電位の測定誤差を減少させることがで
き、被測定体22の表面電位を高精度に測定することがで
きる。

【００９１】また、本実施例にあっても、被測定体22の
表面電位を高精度に検出するために、表面電位の測定精
度を向上させるために、図28（ａ）の関係曲線の傾きを
増大させる。すなわち、出力信号Ｖ₁、Ｖ₂の各出力差を
大きく取り、曲線の傾きを増大させることにより、測定
距離Ｌ₁の検出精度を向上させ、その検出された測定距
離から求められる表面電位の測定精度を向上させること
ができる。

【００９２】出力信号Ｖ₁、Ｖ₂の各出力差を大きくする
方法としては、式（21）（22）から明らかなように、測
定電極72の変動の変化幅ΔＬ₁、ΔＬ₂を増加させその変
化幅を大きくすれば良い。図29（ａ）は測定距離Ｌ＝３
mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定誤差±0、3％における測定電極72の
変動の変化幅ΔＬ₁と測定距離Ｌの検出精度との関係、
同図（ｂ）は測定距離Ｌ＝３mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定誤差±
0、3％における測定電極72の変動の変化幅ΔＬ₂と測定
距離Ｌの検出精度との関係を計算した結果である。

【００９３】同図（ａ）から明らかなようにΔＬ₂＝0.7
mm一定とした場合で、ΔＬ₁を0、3mmから０mmまで減少
させてΔＬ₂の変化幅との差を大きくさせるに従い、測
定距離Ｌの検出精度が向上している様子がわかる。ま
た、同図（ｂ）はΔＬ₁＝0.01mm一定とした場合で、Δ
Ｌ₂を0.2mmから１mmまで増加させるに従い、測定距離の
検出精度が向上している様子が分る。したがって、この
場合、表面電位の測定精度を向上させる方法としては、
ΔＬ₁とΔＬ₂の変化幅の差を大きく取ればよい。

【００９４】また、図27に示すように、高精度に表面電
位を検出するために、測定電極72を被測定体22方向に周
期的に変動させ、かつ、その変動の変化幅を異ならせる
電極変動手段としては、図８〜10に示したユニモルフ型
圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電ア
クチュエータ、あるいは電磁コイルを用い、この各電圧
変動手段の駆動電圧として、図26（ａ）に示すような大
きさの変動する電圧を印加したり、図26（ｂ）に示すよ
うに、駆動電圧の大きさを一定とし、駆動電圧波形の周
波数を異ならせた状態の電圧波形を印加することでも可
能である。あるいは、図26（ａ）（ｂ）に示した各駆動
電圧波形において、駆動電圧の大きさと周波数とを同時
に異ならせた波形を電圧変動手段に印加しても良い。

【００９５】なお、この印加電圧波形としては、図26
（ａ）（ｂ）に示すような正弦波状の波形に限らず、測
定電極72を変動させるための波形（矩形波状、台形波
状、三角波状、鋸波状、パルス波状等の周期的、あるい
は非周期的に変動する波形）および測定電極72の変動の
変化幅を異ならせる波形（正弦波状（図５）、矩形波状
（図11）、三角波状（図12）、鋸波状（図13）、台形波
状（図14）等の周期的あるいは非周期的に変動する波
形）に従う印加電圧波形が適用可能である。

【００９６】このように本実施例では、圧電材料73ａ、
73ｂに前記駆動電圧波形を印加して測定電極72を異なる
変動幅ΔＬ₁、ΔＬ₂で変動させることによって、上述実
施例と同様の作用効果を得ることができる。

【００９７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、被測定体
と測定電極との間の静電容量を変化させ、被測定体の表
面電位に対応して誘起され該静電容量の変化に伴い変化
する測定電極の電位を検出し、次いで、該検出信号から
少なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知し
た後、該出力信号から被測定体の表面電位を導き出すよ
うにしているので、その出力信号から正確な測定距離を
求めることができ、その測定距離から出力値を補正する
ことによりその出力値から被測定体の表面電位が導き出
すことができる。このため、、測定電極を増やすことな
く、正確な表面電位を導出することができる。

【００９８】さらに、前記測定電極の電位検出信号、２
つ以上の出力し信号および被測定体の表面電位を導くた
めの信号に生じるノイズの少なくとも１つ以上を除去し
ているので、被測定体の表面電位の測定誤差を減少させ
ることができ、被測定体の表面電位を高精度に測定する
ことができる。請求項２記載の発明によれば、検出信号
から少なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検
知する方法として、測定電極を被測定体からの距離の異
なる位置の間を大きく変動させて、被測定体と測定電極
との間の静電容量を大きく変化させ、各々の位置での出
力信号を検知しているので、２つ以上の出力信号の出力
差を大きくすることができ、被測定体の表面電位を測定
精度を大幅に向上させることができる。

【００９９】請求項３記載の発明によれば、検出信号か
ら少なくとも出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知
する方法として、測定電極を大きさの異なる変動幅で大
きく変動させて、被測定体と測定電極との間の静電容量
を大きく変化させ、各々の変動幅での出力信号を検知す
るようにしているので、２つ以上の出力信号の出力差を
大きくすることができ、被測定体の表面電位を測定精度
を大幅に向上させることができる。

【０１００】請求項４記載の発明によれば、被測定体と
測定電極との間の静電容量を変化させる容量変化手段
と、被測定体の表面電位に対応して誘起され静電容量の
変化に伴い変化する測定電極の電位を検出する電位検出
手段と、該検出信号から少なくとも出力値の異なる２つ
以上の出力信号を検知する出力検知手段と、該出力信号
から被測定体の表面電位を導き出す表面電位導出手段
と、を備えているので、その出力信号から正確な測定距
離を求めることができ、その測定距離から出力値を補正
することによりその出力値から被測定体の表面電位を導
き出すことができる。この結果、測定電極を増やすこと
なく、簡単かつ安価な構成で正確な表面電位を導出する
ことができる。

【０１０１】そして、電位検出手段、出力検知手段およ
び表面電位導出手段のそれぞれの出力部の少なくとも１
つ以上にノイズを除去するノイズフィルタを設けている
ので、被測定体の表面電位の測定誤差を減少させること
ができ、被測定体の表面電位を高精度に測定することが
できる。請求項５記載の発明によれば、ノイズフィルタ
により電位検出手段、出力検知手段および表面電位導出
手段のそれぞれから出力される信号のうち必要な信号の
みを通過あるいは増幅させるようにしているので、容量
変化手段、電位検出手段および表面電位導出手段から出
力される信号に応じたノイズのみを効果的に除去するこ
とができ、被測定体の表面電位を安価な構成でより一層
高精度に測定することができる。

【０１０２】請求項６記載の発明によれば、容量変化手
段に、測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間
を大きく変動させる電極変動手段を設け、該電極変動手
段により測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の
間を大きく変動させて被測定体と測定電極との間の静電
容量を大きく変化させ、出力検知手段により、測定電極
の異なるそれぞれの位置での電位検出手段による検出信
号から出力値の異なる２つ以上の出力信号を検知するよ
うにしているので、２つ以上の出力信号の出力差を大き
くすることができ、被測定体の表面電位を測定精度を大
幅に向上させることができる。

【０１０３】請求項７記載の発明によれば、容量変化手
段に、測定電極を大きさの異なる変動幅で大きく変動さ
せる電極変動手段を設け、該電極変動手段により測定電
極を異なる変動幅で変動させて被測定体と測定電極との
間の静電容量を大きく変化させ、出力検知手段が、測定
電極の所定値以上の異なるそれぞれの変動幅での電位検
出手段による検出信号から出力値の異なる２つ以上の出
力信号を検知するようにしているので、２つ以上の出力
信号の出力差を大きくすることができ、被測定体の表面
電位を測定精度を大幅に向上させることができる。

【０１０４】請求項８記載の発明によれば、電極変動手
段に、測定電極が固設されたユニモルフ型、あるいはバ
イモルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積
層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルを設け、
測定電極が固設されたユニモルフ型、あるいはバイモル
フ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧
電アクチュエータ、あるいは電磁コイルを駆動すること
により、測定電極を大きく変動させるようにしているの
で、ＰＺＴセラミック等の圧電材料単体に測定電極を固
設した従来の電極変動手段のように変動時に圧電材料に
ひび等が入って破損するのを防止することができるとと
もに、測定電極を大きく変動させることが可能となり、
簡単な構成で被測定体の表面電位を測定精度を大幅に向
上させることができる。

【０１０５】請求項９記載の発明によれば、測定電極が
固設されたユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電圧
電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アク
チュエータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、直
流電圧または周期的に変化する電圧が印加されるように
なっているので、小型な電極変動手段で測定電極を大き
く変動させることができる。

【０１０６】請求項10記載の発明によれば、ユニモルフ
型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータの一端側
または両端側を支持しているので、小型な電極変動手段
で測定電極を大きく変動させることができる。請求項11
記載の発明によれば、ユニモルフ型、あるいはバイモル
フ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧
電アクチュエータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧とし
て、前記測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の
間を変動させる第１の電圧と、該異なる位置の間で変動
する被測定電極を振動させる第２の電圧と、を重畳した
電圧を印加しているので、測定電極が被測定体からの距
離の異なる位置の間を大きく変動させることができると
ともに、振動させることができる。

【０１０７】請求項12記載の発明によれば、ユニモルフ
型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータ、あるい
は拡大機構付積層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁
コイルの駆動電圧として、大きさの変動する電圧を印加
しているので、測定電極を大きさの異なる変動幅で大き
く変動させることができる。請求項13記載の発明によれ
ば、ユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュ
エータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエー
タ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、周波数の変
動する電圧を印加しているので、測定電極を大きさの異
なる変動幅で大きく変動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る表面電位測定方法を実施するその
測定装置の第１実施例を示す概念図である。

【図２】その全体構成を示すブロック図である。

【図３】（ａ）はそのバイモルフ型圧電アクチュエータ
と被測定体の要部構成図、（ｂ）はその圧電材料の要部
構成図である。

【図４】その測定電極の検出信号の異なる位置での各々
の出力値を示す図である。

【図５】その正弦波状に変動した異なる出力値を有する
検出信号を示す図である。

【図６】その測定距離と出力比との関係を示す図であ
り、（ａ）および（ｂ）は出力比の取り方を変えたとき
の図である。

【図７】測定距離Ｌ＝３mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定誤差±0.3
％のときにおける表面電位の測定距離Ｌ₁の検出精度と
測定電極の変動距離ｄとの関係を示す図である。

【図８】（ａ）は他の態様を示すそのユニモルフ型圧電
アクチュエータと被測定体の要部構成図、（ｂ）はその
圧電材料の要部構成図である。

【図９】他の態様を示す電磁コイルの正面図である。

【図10】（ａ）は他の態様を示すその拡大機構積層型圧
電アクチュエータの上面図、（ｂ）はその正面図であ
る。

【図11】図５と異なる矩形波状に変動させた場合の検出
信号を示す図である。

【図12】図５と異なる三角波状に変動させた場合の検出
信号を示す図である。

【図13】図５と異なる鋸波状に変動させた場合の検出信
号を示す図である。

【図14】図５と異なる台形波状に変動させた場合の検出
信号を示す図である。

【図15】本発明に係る表面電位測定方法を実施するその
測定装置の第２実施例を示す全体構成図である。

【図16】その圧電材料に印加する駆動電圧波形を示す図
であり、（ａ）は測定電極を変動させるための電圧波
形、（ｂ）は測定電極を変動させるための電圧波形、
（ｃ）は（ａ）および（ｂ）に示す電圧を重畳させた電
圧波形を示す図である。

【図17】その測定電極の変動を説明する説明図である。

【図18】（ａ）は測定距離Ｌ＝３mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定誤
差±0.3％のときにおける測定電極の変動幅ΔＬと測定
距離Ｌ₁の検出精度の関係を示す図、（ｂ）はそのとき
の測定距離Ｌ₁の検出精度と測定電極の変動距離ｄとの
関係を示す図である。

【図19】その他の態様を示す図であり、（ａ）および
（ｂ）は圧電材料と電磁コイルとの組み合せた場合の一
例である。

【図20】その他の態様を示す図であり、（ａ）および
（ｂ）は圧電材料を組み合せ支持方法を変えた場合の一
例である。

【図21】その他の態様を示す図であり、（ａ）および
（ｂ）は圧電材料を組み合せ支持方法を変えた場合の一
例である。

【図22】その他の態様を示す図であり、（ａ）および
（ｂ）は電磁コイルと圧電材料を組み合せ支持方法を変
えた場合の一例である。

【図23】その他の態様を示す図であり、（ａ）は電磁コ
イル同士を組み合せた場合の一例、（ｂ）は電磁コイル
と拡大機構付積層型圧電アクチュエータを組み合せた場
合の一例である。

【図24】その他の態様を示す図であり、（ａ）は電磁コ
イルと拡大機構付積層型圧電アクチュエータを組み合せ
た場合の一例であり、（ｂ）は圧電材料と拡大機構付積
層型圧電アクチュエータを組み合せた場合の一例であ
る。

【図25】本発明に係る表面電位測定方法を実施するその
測定装置の第３実施例を示す全体構成図である。

【図26】その圧電材料に印加する駆動電圧波形を示す図
であり、（ａ）は電圧の大きさを変動させた場合の電圧
波形、（ｂ）は周波数を変動させた場合の電圧波形を示
す図である。

【図27】その測定電極の変動を説明する説明図である。

【図28】その測定距離と出力比との関係を示す図であ
り、（ａ）および（ｂ）は出力比の取り方を変えたとき
の図である。

【図29】（ａ）は測定距離Ｌ＝３mm、Ｖ₂／Ｖ₁の測定誤
差±0.3％のときにおける測定電極の変動幅ΔＬ₁と測定
距離Ｌ₁の検出精度の関係を示す図、（ｂ）はそのとき
の測定電極の変動の変化幅ΔＬ₂と測定距離Ｌとの検出
精度の関係を示す図である。

【図30】本出願人が先に提案した表面電位測定装置の概
念図である。

【符号の説明】

20 信号補正部（表面電位導出手段） 21、51、71 表面電位センサ 22 被測定体 23、53、72 測定電極 24 チョッパ電極（容量変化手段） 25 信号検出部（電位検出手段） 26 信号増幅部 27ａ Ｖ₁ 検知部（出力検知手段） 27ｂ Ｖ₂ 検知部（出力検知手段） 28〜32 ノイズフィルタ 33ａ、33ｂ、36、55ａ、55ｂ 圧電材料（電極変動手
段、容量変化手段） 61ａ〜61ｈ、63ａ〜63ｄ、67、73ａ、73ｂ 圧電アク
チュエータ（電極変動手段、容量変化手段） 39、62ａ〜62ｆ、64ａ、64ｂ 電磁コイル（電極変動
手段、容量変化手段） 42 拡大機構付積層型圧電アクチュエータ 56、74 バイモルフ型圧電アクチュエータ Ｖ₀ 、Ｖ₁ 、Ｖ₂ 出力信号 Ｌ、Ｌ₁ 、Ｌ₂ 測定距離 ΔＬ₁ 、ΔＬ₂ 変動幅

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定体から所定間隔を隔てた位置に配設
   され該被測定体と電気的に独立した測定電極により被測
   定体の表面電位を測定する表面電位測定方法であって、 前記被測定体と測定電極との間の静電容量を変化させ、
   被測定体の表面電位に対応して誘起され該静電容量の変
   化に伴い変化する測定電極の電位を検出し、次いで、該
   検出信号から少なくとも出力値の異なる２つ以上の出力
   信号を検知した後、該出力信号から被測定体の表面電位
   を導き出すようにした表面電位測定方法において、 前記測定電極の電位検出信号、２つ以上の出力信号およ
   び被測定体の表面電位を導くための信号に生じるノイズ
   の少なくとも１つ以上を除去することを特徴とする表面
   電位測定方法。
2. 【請求項２】前記検出信号から少なくとも出力値の異な
   る２つ以上の出力信号を検知する方法として、前記測定
   電極を被測定体からの距離の異なる位置の間を大きく変
   動させて、被測定体と測定電極との間の静電容量を大き
   く変化させ、各々の位置での出力信号を検知することを
   特徴とする請求項１記載の表面電位測定方法。
3. 【請求項３】前記検出信号から少なくとも出力値の異な
   る２つ以上の出力信号を検知する方法として、前記測定
   電極を大きさの異なる変動幅で大きく変動させて、被測
   定体と測定電極との間の静電容量を大きく変化させ、各
   々の変動幅での出力信号を検知することを特徴とする請
   求項１記載の表面電位測定方法。
4. 【請求項４】被測定体から所定間隔を隔てた位置に該被
   測定体と電気的に独立した測定電極を配設した表面電位
   測定装置であって、 前記被測定体と測定電極との間の静電容量を変化させる
   容量変化手段と、被測定体の表面電位に対応して誘起さ
   れ静電容量の変化に伴い変化する測定電極の電位を検出
   する電位検出手段と、該検出信号から少なくとも出力値
   の異なる２つ以上の出力信号を検知する出力検知手段
   と、該出力信号から被測定体の表面電位を導き出す表面
   電位導出手段と、を備えた表面電位測定装置において、 前記電位検出手段、出力検知手段および表面電位導出手
   段の出力部の少なくとも１つ以上にノイズを除去するノ
   イズフィルタを設けたことを特徴とする表面電位測定装
   置。
5. 【請求項５】前記ノイズフィルタが、電位検出手段、出
   力検知手段および表面電位導出手段のそれぞれから出力
   される信号のうち必要な信号のみを通過あるいは増幅さ
   せることを特徴とする請求項４記載の表面電位測定装
   置。
6. 【請求項６】前記容量変化手段に、前記測定電極を被測
   定体からの距離の異なる位置の間を大きく変動させる電
   極変動手段を設け、 該電極変動手段により測定電極を被測定体からの距離の
   異なる位置の間を大きく変動させて被測定体と測定電極
   との間の静電容量を大きく変化させ、 前記出力検知手段が、測定電極の異なるそれぞれの位置
   での電位検出手段による検出信号から出力値の異なる２
   つ以上の出力信号を検知することを特徴とする請求項４
   または５記載の表面電位測定装置。
7. 【請求項７】前記容量変化手段に、前記測定電極を大き
   さの異なる変動幅で大きく変動させる電極変動手段を設
   け、 該電極変動手段により測定電極を大きさの異なる大きな
   変動幅で変動させて被測定体と測定電極との間の静電容
   量を大きく変化させ、 前記出力検知手段が、測定電極の異なるそれぞれの変動
   幅での電位検出手段による検出信号から出力値の異なる
   ２つ以上の出力信号を検知することを特徴とする請求項
   ４または５記載の表面電位測定装置。
8. 【請求項８】前記電極変動手段に、測定電極が固設され
   たユニモルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエ
   ータ、あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエータ、
   あるいは電磁コイルを設け、測定電極が固設されたユニ
   モルフ型、あるいはバイモルフ型圧電アクチュエータ、
   あるいは拡大機構付積層型圧電アクチュエータ、あるい
   は電磁コイルを駆動することにより、測定電極を大きく
   変動させることを特徴とする請求項６または７記載の表
   面電位測定装置。
9. 【請求項９】測定電極が固設されたユニモルフ型、ある
   いはバイモルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機
   構付積層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルの
   駆動電圧として、直流電圧または周期的に変化する電圧
   を印加することを特徴とする請求項８記載の表面電位測
   定装置。
10. 【請求項10】前記ユニモルフ型、あるいはバイモルフ型
    圧電アクチュエータの一端側または両端側を支持したこ
    とを特徴とする請求項８または９記載の表面電位測定装
    置。
11. 【請求項11】前記ユニモルフ型、あるいはバイモルフ型
    圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電ア
    クチュエータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、
    前記測定電極を被測定体からの距離の異なる位置の間を
    変動させる第１の電圧と、該異なる位置の間で変動する
    被測定電極を振動させる第２の電圧と、が重畳された電
    圧を印加することを特徴とする請求項８記載の表面電位
    測定装置。
12. 【請求項12】測定電極が固設されたユニモルフ型、ある
    いはバイモルフ型圧電アクチュエータ、あるいは拡大機
    構付積層型圧電アクチュエータ、あるいは電磁コイルの
    駆動電圧として、大きさの変動する電圧を印加したこと
    を特徴とする請求項８記載の表面電位測定装置。
13. 【請求項13】前記ユニモルフ型、あるいはバイモルフ型
    圧電アクチュエータ、あるいは拡大機構付積層型圧電ア
    クチュエータ、あるいは電磁コイルの駆動電圧として、
    周波数の変動する電圧を印加したことを特徴とする請求
    項８記載の表面電位測定装置。