JPH11237424A - 電位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の電位を高精度で安定して測定する
ことができる安価な電位センサを得る。 【解決手段】 電位センサは、検出電極２、変調装置１
３、検出電極２から距離Ｄｇの位置に配置されたグリッ
ド電極１４、グリッド電極１４にグリッド電圧Ｖｇを供
給するグリッド電源装置１５、検出電極２に誘起される
被測定物に起因する交流信号の振幅がゼロとなるように
グリッド電源装置１５からグリッド電極１４に供給され
るグリッド電圧Ｖｇを制御するグリッド電源制御装置１
６、交流信号がゼロとなったときのグリッド電位Ｖｇに
基づいて、Ｖ１＝Ｖｇ（Ｄｓ／Ｄｇ）より被測定物の電
位を出力する出力回路１７にて構成されている。変調装
置１３は、検出電極２を周期的に振動させて距離Ｄｓを
変化させ、被測定物１と検出電極２との間に発生する静
電容量を周期的に変調する圧電音叉１１とそれを駆動す
る音叉駆動回路１２とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電位センサに関
し、特に、電子写真複写機の感光体ドラムのような被測
定物の電位を非接触で測定するための電位センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】

【０００３】従来より、この種の電位センサとしては、
パッシブ型と呼ばれるものとアクティブ型と呼ばれるも
のが一般に知られており、パッシブ型はさらにチョッパ
型と振動容量型に分類される。アクティブ型は、フィー
ドバック型とも呼ばれている。いずれの電位センサも、
圧電音叉等の機械的手段を用いて被測定物と検出電極と
の間の静電容量を変化させ、それにより検出電極に誘起
される電荷変動を検出信号として取り出す点は共通して
いる。

【０００４】従来のパッシブ型の電位センサによる電位
検出の原理を図６に示す。図６からも分かるように、被
測定物１と検出電極２との間に形成される静電容量Ｃｖ
を、機械的手段により検出電極２を振動させて周期的に
変化させることで、検出電極２に電荷が誘起され、交流
電流ｉｓが発生する。パッシブ型の電位センサは、この
交流電流ｉｓが被測定物１の電位Ｖ１に比例することを
利用して被測定物１の電位Ｖ１を検出するものである。
つまり、交流電流ｉｓを抵抗Ｒｇにより出力電圧Ｖ２に
変換し、この出力電圧Ｖ２に基づいて被測定物１の電位
Ｖ１を検出する。

【０００５】一方、アクティブ型の電位センサによる電
位検出の原理を図７に示す。アクティブ型の電位センサ
は、抵抗Ｒｇを通して可変電圧源４から検出電極２に電
圧Ｖｖを印加し、被測定物１の電位Ｖ１と可変電圧源４
の電圧Ｖｖが同電位となったときに、出力電圧Ｖ２がゼ
ロとなる。すなわち、被測定物１と検出電極２との間の
電位差がゼロとなるのをモニタし、そのときの可変電圧
源４の電圧Ｖｖから被測定物１の電位Ｖ１を検出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６に示し
たパッシブ型の電位センサは、検出原理上、出力電圧Ｖ
２が被測定物１と検出電極２との間の距離Ｄｓの変化に
依存するという特性を有する。これは、被測定物１と検
出電極２との間に発生する静電容量Ｃｖが距離Ｄｓに依
存するからである。このため、パッシブ型の電位センサ
では、被測定物１の電位Ｖ１の検出精度は、検出電極２
を支持している部材の熱膨張や振動による被測定物１と
検出電極２との間の距離Ｄｓの変化によって低下すると
いう問題があった。さらに、静電容量Ｃｖの変化ΔＣｖ
を発生させるための機械的手段の振動の安定性によって
も大きく影響を受ける。

【０００７】他方、図７に示したアクティブ型の電位セ
ンサは、被測定物１と検出電極２との間の電位差がゼロ
となるのをモニタし、そのときの可変電圧源４の電圧Ｖ
ｖから被測定物１の電位Ｖ１を検出しているので、被測
定物１の電位Ｖ１の測定値が被測定物１と検出電極２と
の間の距離Ｄｓに依存していない。このため、アクティ
ブ型の電位センサでは、被測定物１の電位Ｖ１を安定し
て高い精度で検出することができる。しかし、被測定物
１の電圧Ｖ１と等しい高電圧を発生させることができる
高価な可変電圧源４を必要とするので、電位センサのコ
ストが高くなるという問題があった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、被測定物の電位
を高精度で安定して測定することができる安価な電位セ
ンサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る電位センサは、（ａ）被測定物に対向
する検出電極と、（ｂ）前記検出電極と被測定物との間
に発生する静電容量を機械的に変調する変調装置と、
（ｃ）前記被測定物と検出電極との間に配置されたグリ
ッド電極と、（ｄ）前記グリッド電極にグリッド電圧を
印加するグリッド電源装置と、（ｅ）前記検出電極に誘
起される前記被測定物に起因する信号がゼロとなるよう
に前記グリッド電源装置から出力するグリッド電圧を制
御するグリッド電源制御装置と、（ｆ）前記グリッド電
源制御装置により制御された前記グリッド電圧に基づい
て被測定物の電位の測定値を出力する出力回路と、を備
えたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】以上の構成により、グリッド電極は、グリッド
電源装置から供給されるグリッド電圧により、検出電極
に向かって入射（被測定物の電位が正のとき）もしくは
検出電極から出射（被測定物の電位が負のとき）する電
界を制御し、検出電極に被測定物に起因する電界が侵入
しない状態を形成する。このときのグリッド電圧は被測
定物の電位に比例しており、その比例係数は被測定物と
検出電極との間の距離とグリッド電極と検出電極との間
の距離との比の値に略等しい。この比の値は、前記グリ
ッド電極が被測定物と検出電極との間にあるので１より
も大きく、グリッド電圧は被測定物の電位よりも低くな
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る電位センサ
の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。

【００１２】本発明に係る電位センサの一つの実施の形
態を図１及び図２に示す。該電位センサは、検出電極
２、変調装置１３、被測定物１と検出電極２との間に配
置された網状のグリッド電極１４、グリッド電極１４に
グリッド電圧Ｖｇを供給するグリッド電源装置１５、グ
リッド電源制御装置１６、被測定物１の電位Ｖ１の測定
値を出力する出力回路１７にて構成されている。変調装
置１３は、検出電極２を周期的に振動させて被測定物１
との間の距離Ｄｓを変化させ、被測定物１と検出電極２
との間に発生する静電容量を周期的に変調する圧電音叉
１１及びそれを駆動する音叉駆動回路１２からなる。

【００１３】検出電極２は、図２に示すように、圧電音
叉１１の一方の脚部１１ａに絶縁体１８を介して固定さ
れている。圧電音叉１１は、プリント基板２２上にグリ
ッド電極１４とともに固定されている。さらに、プリン
ト基板２２上には、圧電音叉１１を帰還素子として一つ
の発振回路を構成する増幅回路から構成されてなる音叉
駆動回路１２、図２において符号２１で示されている、
前記グリッド電源装置１５、グリッド電源制御装置１６
及び出力回路１７が実装されている。図１の電位センサ
は、そのプリント基板２２が静電シールド機能を有する
金属製の一つのケース２３内に収容されてユニット化さ
れている。

【００１４】ケース２３には被測定物１からの電界入射
用の窓２４が設けられている。圧電音叉１１はその検出
電極２をグリッド電極１４を間にして窓２４に臨ませて
プリント基板２２に固定されている。検出電極２及びグ
リッド電極１４は、ケース２３の窓２４を通して、被測
定物１に対向している。プリント基板２２からは電源供
給用、接地用及び信号導出用のケーブル２５が導出され
ている。

【００１５】音叉駆動回路１２は、その出力を圧電音叉
１１の一方の脚部１１ａに固着された圧電振動子２６ａ
に印加して電歪振動を発生させ、この電歪振動によって
圧電音叉１１をその固有振動数で振動させている。そし
て、該振動により圧電音叉１１の他方の脚部１１ｂに固
着された圧電振動子２６ｂに前記固有振動数に等しい周
波数の圧電信号を発生させ、この圧電信号を音叉駆動回
路１２に帰還させることにより、音叉駆動回路１２は圧
電音叉１１を所定の発振周波数で自励発振させている。

【００１６】グリッド電源制御装置１６は、検出電極２
に誘起される交流信号の振幅が最小となる（理想的には
ゼロとなる）ように、グリッド電源装置１５からグリッ
ド電極１４に供給されるグリッド電圧Ｖｇを制御する。
グリッド電源制御装置１６は、図１に示すように、イン
ピーダンス変換回路３１、交流増幅回路３２，位相検波
回路３３及びゼロ出力検出回路３４からなる。インピー
ダンス変換回路３１は、検出電極２に発生した検出信号
をインピーダンス変換して交流増幅回路３２に供給する
ための回路であり、その構成の一例を図３に示す。該イ
ンピーダンス変換回路３１は、電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）３５及び抵抗Ｒｓにより構成されるソースフ
ォロワ回路からなるものである。電界効果トランジスタ
３５は、そのソースとグランドとの間には抵抗Ｒｓが接
続され、そのゲートは検出電極２に接続され、そのドレ
インは電源Ｖｃｃに接続されている。検出電極２とグラ
ンドとの間には、検出電極２に誘起される電荷の変化に
よる電流ｉｓを電圧に変換するための抵抗Ｒｇが接続さ
れている。

【００１７】交流増幅回路３２は、インピーダンス変換
回路３１の電界効果トランジスタ３５から出力された信
号を以後の処理に適したレベルまで交流増幅し、位相検
波回路３３に供給する。位相検波回路３３は、音叉駆動
回路１２から供給されるタイミング信号に同期して直流
増幅回路３２の出力を位相検波し、直流信号に変換す
る。位相検波回路３３から出力される直流信号は、ゼロ
出力検出回路３４に入力される。ゼロ出力検出回路３４
は反転入力端子及び非反転入力端子を有する差動増幅器
から構成されており、反転入力端子に入力される位相検
波回路３３の出力信号と接地されてグランド電位にある
非反転入力端子の電位との差を増幅する。

【００１８】ゼロ出力検出回路３４の出力はグリッド電
源装置１５に入力される。グリッド電源装置１５は、ゼ
ロ出力検出回路３４の出力に応じて、グリッド電極１４
に印加されるグリッド電圧Ｖｇを変化させる。

【００１９】以上に説明した検出電極２、インピーダン
ス変換回路３１、交流増幅回路３２、位相検波回路３
３、ゼロ出力検出回路３４、グリッド電源装置１５から
グリッド電極１４に至るループは一つの負帰還ループを
形成している。これにより位相検波回路３３の出力が最
小（理想的にはゼロ）、即ち、検出電極２の電位が最小
（理想的にはゼロ）となるようにグリッド電圧Ｖｇが制
御される。そして、理想的には、検出電極２には、被測
定物１とグリッド電極１４に起因する電界のみが入射す
る。しかし、実際には、検出電極２には、これ以外にも
プリント基板等に起因する電界が入射しており、従っ
て、グリッド電圧Ｖｇの作用によって被測定物１に起因
する電界が検出電極２に入射しない状態となっても、検
出電極２の電位はゼロとはならない。このときのグリッ
ド電圧Ｖｇに基づいて出力回路１７から被測定物１の電
位Ｖ１の検出出力が出力される。

【００２０】このような構成において、被測定物１が例
えば正（プラス）の電位Ｖ１を有しており、図１に示し
た電位センサの負帰還ループにより、検出電極２の電位
がゼロに制御されているとする。このとき、グリッド電
源装置１５は、被測定物１の電位をゼロとするために、
グリッド電極１４に負（マイナス）のグリッド電圧ｇを
印加する。これにより、図３に示すように、被測定物１
と検出電極２との間には電界Ｅｓが生じ、検出電極２と
グリッド電極１４との間には電界Ｅｇが生じる。

【００２１】被測定物１と検出電極２との間の距離をＤ
ｓ、検出電極２とグリッド電極１４との間の距離をＤｇ
とし、被測定物１の電位をＶ１、検出電極２の電位がゼ
ロのときのグリッド電極１４のグリッド電圧をＶｇとす
ると、電界Ｅｓ及び電界Ｅｇは、以下の式（１），
（２）で表示される。 Ｅｓ＝Ｖ１／Ｄｓ …（１） Ｅｇ＝Ｖｇ／Ｄｇ …（２）

【００２２】そして、検出電極２の電位がゼロに制御さ
れているときは、検出電極２とグリッド電極１４との間
では、電界Ｅｓと電界Ｅｇとが相殺している（Ｅｓ＝Ｅ
ｇ）。従って、式（１），（２）より，以下の式（３）
が得られる。なお、被測定物１が負（マイナス）の場合
も、全く同様である。 Ｖ１／Ｄｓ＝Ｖｇ／Ｄｇ Ｖ１＝Ｖｇ（Ｄｓ／Ｄｇ） …（３）

【００２３】この式（３）に基づいて、検出電極２の電
位がゼロに制御されているときのグリッド電圧Ｖｇを知
れば、被測定物１の電位Ｖ１を検出することができる。
このとき、検出電極２とグリッド電極との間の距離Ｄｇ
が小さいほど、Ｄｓ／Ｄｇの値が大きくなるので、グリ
ッド電極１４に印加するグリッド電圧Ｖｇを低くするこ
とができる。図５に、Ｄｓ／Ｄｇ＝２（実線４１参
照）、Ｄｓ／Ｄｇ＝２．５（実線４２参照）、Ｄｓ／Ｄ
ｇ＝３（実線４３参照）、Ｄｓ／Ｄｇ＝３．５（実線４
４参照）、Ｄｓ／Ｄｇ＝４（実線４５参照）、Ｄｓ／Ｄ
ｇ＝４．５（実線４６参照）及びＤｓ／Ｄｇ＝５（実線
４７参照）としたときの、被測定物１の電位Ｖ１に対す
るグリッド電極１４のグリッド電圧Ｖｇの実測値を示
す。

【００２４】これにより、グリッド電源装置１５とし
て、発生電圧の低い安価なものを使用することができ
る。また、被測定物１の電位Ｖ１の検出を、一定位置に
固定されているグリッド電極１４の電位Ｖｇを検出する
ことにより行っているので、被測定物１の電位Ｖｇを安
定して高い精度で検出することができる。

【００２５】以上では本発明の基本的な実施の形態につ
いて説明したが、本発明に係る電位センサは前記実施形
態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に
変更することができる。例えば、変調装置１３としては
圧電音叉１１を用いたいわゆる振動容量型のものに代え
て、検出電極２の実効面積を変化させるいわゆるチョッ
パ型のものを使用することができる。

【００２６】また、グリッド電極１４も網状のものに代
えて、縦桟状、横桟状のもの等を使用することもでき
る。さらに、グリッド電極１４の網目を小さくして電極
の開口面積を少なくすることによっても、グリッド電極
１４に印加するグリッド電圧Ｖｇを低くすることができ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、被測定物と検出電極との間にグリッド電極を
配置し、このグリッド電極にグリッド電圧を印加して検
出電極からの出力電圧がゼロとなるように制御すること
により、グリッド電圧を印加するグリッド電源装置とし
て、発生電圧の低い安価なものを使用することができ
る。この結果、電位センサのコストを大幅に引き下げる
ことができる。また、一定位置に固定されているグリッ
ド電極の電位を検出することにより被測定物の電位を検
出しているので、被測定物の電位を安定して高い精度で
検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電位センサの一つの実施形態の構
成を示すブロック図。

【図２】図１に示した電位センサの具体的な構成を示す
構成図。

【図３】図１に示した電位センサの動作原理を説明する
ための説明図。

【図４】検出電極からの距離に対するグリッド電極の電
位及び被測定物の電位の関係を示すグラフ。

【図５】被測定物電位とグリッド電圧の関係を示すグラ
フ。

【図６】従来の電位センサの動作原理を説明するための
説明図。

【図７】従来の別の電位センサの動作原理を説明するた
めの説明図。

【符号の説明】

１…被測定物 ２…検出電極 １１…圧電音叉 １２…音叉駆動回路 １３…変調装置 １４…グリッド電極 １５…グリッド電源装置 １６…グリッド電源制御装置 １７…出力回路 ３１…インピーダンス変換回路 ３２…交流増幅回路 ３３…位相検波回路 ３４…ゼロ出力検出回路 Ｒｇ…抵抗 Ｖｇ…グリッド電圧 Ｖ１…被測定物の電位 Ｄｓ…検出電極と被測定物との間の距離 Ｄｇ…検出電極とグリッド電極との間の距離

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物に対向する検出電極と、 前記検出電極と被測定物との間に発生する静電容量を機
   械的に変調する変調装置と、 前記被測定物と検出電極との間に配置されたグリッド電
   極と、 前記グリッド電極にグリッド電圧を印加するグリッド電
   源装置と、 前記検出電極に誘起される前記被測定物に起因する信号
   がゼロとなるように前記グリッド電源装置から出力する
   グリッド電圧を制御するグリッド電源制御装置と、 前記グリッド電源制御装置により制御された前記グリッ
   ド電圧に基づいて被測定物の電位の測定値を出力する出
   力回路と、 を備えたことを特徴とする電位センサ。