JPS642898B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、静電的に帯電した表面の電圧レベル
を測定するプローブ及び回路に関する。更に具体
的に言うならば、本発明は、振動型のピエゾセラ
ミツク・プローブ及びこれの関連回路に関する。
このプローブは電子写真複写機及び印刷装置等に
おける静電的に帯電された表面の電荷を測定する
ために用いられる。

［従来技術］ 電子写真装置においては、光導電体材料は比較
的一様な帯電レベル（例えば800ボルト）を受け
る。光導電性材料は絶縁体であるので、電荷はこ
れが光にさらされる迄光導電材料上に留まる。露
光されると、光導電体の露光部分は、略零ボルト
のレベル迄放電される。電子写真プロセスにおい
ては、この露光された光導電体は次に現像され、
そしてこの現像イメージから印刷物が作成され
る。

光導電性材料の静電特性が時間の経過に伴なつ
て変化するので、この静電写真装置の印刷の質は
時間と共に劣化する。又、光導電体を繰返し使用
することが表面特性を変化しそして印刷の質に影
響する。例えば、現像剤を繰り返し付着させるこ
とにより、トナー・フイルムが表面に生じ光を受
けにくくする。更に、現像イメージを複写紙に転
写する間複写紙が光導電体に押しつけられるため
に、光導電体の表面は粗くなりそして暗くされ
る。これらの要因は互いに加わり合つて光導電体
の帯電特性及び受光特性を変化させる。そして最
終的に光導電体を取替えねばならなくなる。

光導電体の長期の寿命に互つて良好な印刷品質
を維持するために、静電プローブが光導電体表面
の近くに配置されて静電的な帯電レベルの変動を
感知することが行なわれてきた。帯電レベルが大
きく変動したことが感知されると、帯電レベル、
照射光の強さ若しくは現像バイアス・レベルがこ
の変動を補償するように調整されることができ
る。このような技法は米国特許第4326796号に示
されている。

電子写真装置にこのような静電プローブを用い
ることにより理論的に利点が期待できるにもかか
わらず、このようなプローブは広く用いられてこ
なかつた。これの理由は、プローブ及びこれの関
連回路のコストが高いこと、又比較的検出能力が
低くて測定値を制限したことが挙げられる。本発
明は、いくつかの機能を単一の圧電屈曲
（piezoelectric bender）素子に結合してプロー
ブ自体のコストを下げそしてプローブの感度を改
善することによつて上記の問題を解決する。

静電表面上の電荷を測定するのにプローブを用
いる時に最初に必要なことは、測定量を較正する
ための基準を設定することである。導電性のドラ
ム・シールを有しこれによつて光導電体表面の連
続性を分断している型の電子写真装置において
は、ドラム・シールがアース・レベル又は基準レ
ベルにされているためこのドラム・シールの帯電
レベルが必要な基準値となる。光導電体表面が連
続している型の電子写真装置においては、光導電
体表面上の未知の電圧からプローブを瞬間的にシ
ールドし、そしてこれを基準電圧で置き代えるチ
ヨツピング方式がしばしば用いられる。この型の
方式では、未知電位の表面（光導電体）及び既知
電位の表面の間に振動感知電極が置かれる。電極
が振動するにつれて未知電位及び感知電極の間の
キヤパシタンスが変動して、電極に電流が流れ
る。この電位は既知表面電位をこれが光導電体電
位に等しくなるように増減するのに用いられる。
この時点で振動電極出力は零に減少される。

振動プローブは普通３つの素子即ち駆動素子、
感知素子及び帰還素子を有する。同調フオークは
振動子として通常使用され、そしてこの同調フオ
ークを発振状態にする駆動器として働く磁気若し
くはピエゾエレクトリツク（圧電）素子がとりつ
けられている。或る種の導体である感知素子が同
調フオークにとりつけられており、そして同調フ
オークの周波数を共振周波数に保つための帰還素
子がとりつけられる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来のプローブは、構造が複雑でこのため製造
が困難でありコストが高かつた。更に、比較的大
型であるため被測定面に対して近接して配置する
ことが困難であり、このため感度が低かつた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、プローブが既知電位のシールドによ
り囲まれた（但し感知窓の部分を除く）単一のピ
エゾセラミツク（圧電気強誘電磁器）の屈曲即ち
撓み（ベンダー）素子で形成されている所の静電
位測定のためのプローブを実現する。屈曲即ち撓
み素子は、駆動発振器に接続されたピエゾセラミ
ツク駆動層、感知導体及び駆動発振器に接続され
たピエゾセラミツク帰還層を有している。発振器
が電流をピエゾセラミツク駆動素子に供給する
と、屈曲即ち撓み素子は変形する。撓み素子の変
形によりピエゾセラミツク帰還素子が変形し、か
くして帰還層に電流を誘起する。誘起電流は発振
器に帰還されて発振器の出力を、屈曲即ち撓み素
子の固有共振周波数に同調させる。感知素子（振
動屈曲素子の１部分）は、測定すべき静電位の近
くに置かれ、そしてシールド及び被測定表面の間
で発生される電界内に位置決めされる。クリスタ
ル屈曲素子が振動して感知素子が光導電体に近づ
いたり遠のいたりするにつれてキヤパシタンス変
動に基づく電流が誘起される。かくして発生され
た電流は、増幅、フイルタ及び位相感知回路に印
加され、その結果、静電界の存在をなくするよう
にシールドの既知電位に対する調整がなされる。
これが生じると、感知素子に電流が誘起されなく
なり、そしてシールドの既知電位は被測定表面電
位に等しくなる。

構造が簡略された本発明のプローブを適切に動
作させるために、プローブ・シールドの既知電位
（例えば数百ボルト）に対して感知電圧（ミリボ
ルトのレンジの電圧）を浮かせることが必要であ
る。更に、感知電圧は発振器駆動電圧（何倍も大
きい電圧）からシールドされねばならず、そして
発振器駆動電圧自体も、シールドの既知電圧から
浮かせられねばならない。最後に、発振器駆動電
圧は、発振器電源の低インピーダンスを感知抵抗
から減結合させるため測定期間の間発振器から非
接続にされなければならない。

［実施例］ 代表的な電子写真装置の主要部品を第２図に示
す。光導電体１００は、矢印Ａの方向に駆動され
るドラム１０１の外側表面に装着されている。光
導電体が帯電コロナ１０２を通過するにつれ、光
導電体の表面に比較的一様な静電荷がおかれる。
そして光導電体を露光ステーシヨン１０３におい
て選択的に放電させることにより静電潜像が形成
される。この潜像は現像装置１０４により現像さ
れ、そして転写コロナ１０５の作用のもとに通常
紙である受容体に転写される。クリーニング・コ
ロナ１０６はクリーニング・ステーシヨン１０７
に先行して配置されており、これらが光導電体を
クリーニングする。用紙は用紙通路１０８に沿つ
て矢印Ｂの方向に移動される。

プローブ・ユニツト１０９は、光導電体上に存
在する静電位のレベルを感知するために配置され
ている。プローブ・ユニツト１０９を露光ステー
シヨン１０３の後に配置することによつて、光導
電体上の完全に露光された電圧レベル及び未露光
電圧レベルを感知することが可能である。これら
感知された電圧レベルは制御回路に供給されて、
帯電コロナ１０２、露光ステーシヨン１０３にお
ける照射光の強さ若しくは現像装置１０４におけ
る現像バイアス電圧レベルを調整する。

第２図は、静電プローブ・ユニツト１０９を含
む測定システムを概略的に示す。クリスタル屈曲
即ち撓み素子１０は光導電体１００の表面に非常
に接近して位置決めされている。屈曲即ち撓み素
子１０はシールド１２により囲まれている。この
シールド１２は、線４９を介して高電圧源１３か
らの既知出力電位に接続されている。クリスタル
屈曲素子１０は駆動発振回路１４から駆動され、
そしてこの屈曲素子１０の感知部分において生じ
る電流は抵抗１５に供給されて感知増幅器１６に
より感知される。感知増幅器１６の出力は回路１
７においてフイルタされそして駆動発振器の位相
と比較され、そして高電圧源１３によりシールド
１２に供給される電圧レベルを変える。このよう
にして、シールド１２上の既知電位は、クリスタ
ル屈曲素子１０が約零電位に迄減少させた静電界
において振動するようになる迄調整される。この
時点で屈曲素子１０の感知部分で発生される電流
は実質的に零に迄減少され、そして高電圧源１３
からの既知電圧は、測定すべき未知電圧に等しく
なる。

第１図の回路は、駆動発振回路１４を駆動する
ための低電圧源回路１８を含み、そしてこの回路
は接続線１８ａを介して電子写真装置の制御論理
装置１９に接続され、そして電子写真装置の逐次
動作中の適切な時刻に光導電体の電圧の測定が行
なわれる。線１３ａは、高電圧シヤツト・ダウン
のためであり、そして線１３ｂは、光導電体電圧
の測定値の装置による制御を通知する出力線であ
る。線１３ｂは必要に応じてアナログ若しくはデ
イジタル信号を伝えることができる。

第３図は、多層構造のクリスタル屈曲素子１０
を示す。層２０及び２２はピエゾセラミツク材料
（絶縁性の材料）で作られており、これらの間に
導電層２４がはまされている。層２０及び２２は
薄い導電性被覆２０ａ及び２２ａで覆われてい
る。このうち導電性被覆２２ａは領域２８の部分
で除去されており、導電性被覆２６が分離されて
いる。

使用中には、導電性被覆２２ａの表面は、被感
知表面に接近して位置決めされそしてこれは容量
性感知素子であり振動により電流が誘起される。
導電性表面２２ａは線２３により導電層２４に接
続され、そして次いで線２５によりシールド１２
に接続されている（即ち後に説明する如くシール
ド１２の層３２（第６図）に接続されている）。
シールド１２は感知抵抗及び増幅器に接続され
る。

ピエゾセラミツク層２０は駆動素子であり、そ
して線２１を介して駆動発振回路１４の出力へ接
続され、そして層２４及び線２５により発振回路
の共通電路への回路を完成する（第６図）。

導電性被覆２６は帰還素子の一部分として働ら
く（ピエゾセラミツク層２２と共に）、そして線
２７により、駆動発振回路の入力に接続され、そ
して導電層２４、線２５及びシールド１２を介し
て発振回路の共通路（第６図）に接続される。

第３図に示す型のピエゾセラミツク屈曲素子
は、商業的に入手可能であり、そして代表的には
音響信号の伝送、受信のためのプレート共振器と
して用いられる。これらは、テレビジヨン・セツ
トのチヤネルを変更するための遠隔制御装置で一
般的に用いられている。商業上入手可能な屈曲素
子は、領域２８の部分の導電性被覆をエツチング
除去して、感知素子２２ａから離された帰還素子
２６を与えることにより第３図の如き構成を与え
るよう作り替えられる。

第４図は、静電プローブ・ユニツトの側面の断
面図を示し、ここでクリスタル屈曲素子１０は、
シールド１２に対して装着されている。エポキシ
接着剤８及び適切なスペーサ９を含む適切な装着
手段を用いることができる。第４図から判ること
は、シールド１２が３層構造であること即ち３種
類の材料、即ち外側導電性素子３０、絶縁素子及
び内側導電性素子３２から成ることが判るであろ
う。シールド１２及び屈曲素子１０の間に空気ギ
ヤツプ３３が維持され、そして屈曲素子１０は光
導電体１００の表面の近くに位置決めされる。

第５図は、光導電体表面の側からプローブを見
た図である。第５図は、導電性被覆２２ａが、シ
ールド１２の開孔（窓）を通して光導電体表面に
露出されていることを示している。

第６図は本発明のプローブ・ユニツトと共に用
いる駆動発振回路の詳細を示す。第６図の回路
は、第２番目のシールド４５′が駆動発振回路の
囲りに設けられそして電圧フオロア回路７が感知
電流を感知増幅器１６に送るために設けられてい
ることを除き、第２図の回路と同じである。

第２番目のシールド４５′の目的は、駆動発振
回路の囲りに低インピーダンスのシールドを設
け、漂遊電圧信号の大きさを制限してこれがピツ
ク・アツプされて感知増幅器へ印加されないよう
にするためである。このようにして、フイルタ・
ステージの数を減少することができる。

第６図は、演算増幅器４０が、線２１を介して
駆動素子２０へ出力駆動信号を与えることを示し
ている。帰還素子２６から線２７を介して演算増
幅器４０へ正帰還がなされる。抵抗Ｒ１及びＲ２
はキヤパシタンスＣと共に、１よりも大きい閉ル
ープ利得を与えるように帰還信号の位相関係を設
定するのに用いられる。この回路により、正帰還
が生じ、そしてこの回路はピエゾセラミツク屈曲
素子が共振周波数において発振を始める。

駆動発振回路は、電界効果トランジスタ
（FET）４１，４２及び４３を介して低電圧源回
路（12ボルト）に接続されている。FET４３は、
発振回路の共通路（コモン接続路）を高電圧源出
力に浮かして、高電圧基準で回路動作をさせるよ
うに働らく。高電圧信号は又線４４を介して内側
のシールド４５に接続されている。制御論理装置
１９は測定期間の間にスイツチであるFET４１，
４２及び４３を開き、かくしてこの回路は、感知
電位で浮くことになる。同様に、制御論理装置１
９は測定期間より前の適切な時刻に上記スイツチ
を閉じ、屈曲素子を発振状態にセツトしそしてエ
ネルギ貯蔵素子であるキヤパシタＣ１及びＣ２を
充電する。これらのキヤパシタは、低電圧源が切
り離された時に測定周期の間発振回路の駆動を維
持するのに用いられる。

光源４６及び光検出器４７から成る光学的アイ
ソレータがシールド４５を位相検出回路１７ａ内
に存在し得る低インピーダンス帰還路から絶縁す
るために用いられる。これは又、駆動発振回路で
用いられる高電圧コモン接続路を位相検出回路１
７ａのアースがら絶縁するように働らく。同様に
第２番目の光学的アイソレータ４８が用いられ、
感知増幅及びフイルタ回路の高電圧コモン接続路
を位相検出回路のアースから絶縁する。

次に、静電プローブ・ユニツト及び回路の動作
原理を説明する。感知負荷抵抗１５は、高電位に
ある線４９及びこれも又高電位にあるが感知素子
２２ａで生じた電流が流れる線５０の間に接続さ
れている。かくして、感知抵抗１５を流れる電流
は、感知素子２２ａに基づく線４９及び５０の間
の数ミリボルトの電位差だけにより発生される。
この様にして、数ミリボルトの感知電圧は約800
ボルトの高電圧信号にかさなり、これにもかかわ
らず検出されて感知増幅器１６を適切に駆動す
る。駆動発振回路１４は12ボルトの電位で動作
し、そして感知信号はわずか数ミリボルトである
ので、この感知信号は発振回路の駆動信号からシ
ールドされねばならない。この理由のために発振
回路はシールド４５内に収容されている。シール
ド４５は高電位にあり、かくして±12ボルトの発
振回路電圧は、高電圧信号上で浮いている。

感知素子２２ａにより発生された小さな感知電
圧によつて発生された電流を検出するために、感
知抵抗１５は高インピーダンスの素子である。抵
抗１５と並列にいかなる低インピーダンスが結合
することも防止するために、測定期間は低電圧源
回路はスイツチ４３により切離される。又、光源
４６及び光検出器４７から成る光学的アイソレー
タが、位相検出回路内の低インピーダンスを減結
合するのに用いられる。

既述の如く、感知素子２２ａは光導電体表面に
近接して位置決めされ、従つて光導電体及びシー
ルド３２（これはシールド４５に接続されてい
る）に存在する高電位の間で生じる静電界内に位
置される。感知素子２２ａがこの静電界中で振動
するので、光導電体１００に関する感知素子２２
ａのキヤパシタンスが変化する。キヤパシタンス
が変化するので、感知素子２２ａの電荷レベルは
式Ｑ＝CVに従つて変化する。ここでＶは静電界
の値であり、Ｑは素子２２ａで生じた電荷であり
そしてＣはキヤパシタンスである。感知素子２２
ａに生じた電荷Ｑの変動は電流を生じ、この電流
は線２５、シールド板３２及びシールド４５を介
して感知抵抗１５に結合される。高電圧源１３に
より生じる出力信号が光導電性１００の電圧に等
しくなる迄変化されると、静電界電位Ｖは実質的
になくなり、従つて振動感知素子２２ａに生じる
電流は零に迄減少される。この時点で線４９上の
電圧は光導電体１００の電圧を表わす。

素子２２はピエゾセラミツク装置であるので、
素子２２が駆動素子２０により変形される時に素
子２２に加わる物理的応力の結果として感知素子
２２ａに二次電圧が誘起される。このピエゾセラ
ミツクで誘起された電圧は、接続線２３（第３
図）により素子２２の両方の側（導体２２ａ及び
２４）が同電位にされているので、抵抗１５に結
合されない。かくして、素子２２における圧電効
果により素子２２ａにおいて発生される電流はク
リスタル２２の両端で短絡される。

第５図において、光導電体１１及びシールド３
２の間の静電界の影響外に帰還素子２６が配置さ
れていることに注目されたい。この結果、素子２
６において発生される帰還電圧は圧電効果の結果
生じたものであり、静電界内での振動の結果生じ
たものではない。第３及び６図は、素子２６は線
２７を介して駆動発振回路の一方の側に接続され
そして導電層２４及び線２５を介してシールド３
２及び４５へと駆動発振回路の他方の側（コモン
接続部）へ接続されていることを示している。こ
のようにして、ピエゾセラミツク素子を介する回
路が設けられ、従つてここで発生される圧電帰還
電圧は発振回路に帰還される。

本明細書で述べたのは、駆動、感知及び帰還能
力の全てを１体的に与える構造が簡単な市販の低
コストのピエゾセラミツク屈曲素子から製造され
ることのできる新規な静電プローブ・ユニツトで
ある。このプローブユニツトに対する駆動発振回
路はシールド内に収められ、そして高電位及び感
知信号に浮かされる。

光導電体上の電圧を感知するという点で静電プ
ロープ及びこれに関連回路が電子写真装置に関し
て説明されたが、この静電プローブ及び関連回路
は、静電界の正確な検出を必要とする分野に用い
られることができる。例えば、種々なプラスチツ
ク物品の製造に関する多くのプロセスにおいて
は、プラスチツクの表面の電荷の累積を感知する
ことが望まれる。従つて、この場合には本発明の
プローブ及び回路を用いることができる。

［発明の効果］ 本発明は駆動素子、感知素子及び帰還素子とし
て全て一体的に働らく単一の屈曲素子より成る小
型で構造が簡単でコストの低い静電プローブを実
現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子写真装置での使用に適する本発明
の測定システムの実施例のブロツク図、第２図は
電子写真装置の主要な構成素子を示す図、第３図
は本発明の静電プローブのクリスタル屈曲素子の
多層構造を示す図、第４図はシールド及び屈曲素
子を示す第３図のプローブの側面の断面を示す
図、第５図は第４図のプローブの正面を示す図、
第６図はプローブに接続される回路を示す図。 １０９……プローブ・ユニツト、２０，２２…
…ピエゾセラミツク材料層、２４……導電層、２
０ａ，２２ａ，２６……導電性被覆、１２……シ
ールド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１及び第２の圧電層の間に内側導電層がは
   さまれ、上記第１及び第２の圧電層の夫々の外側
   表面に導電被覆が設けられ、上記第２の圧電層の
   導電被覆は第１部分及び第２部分に分割され、上
   記第１部分は感知素子として働らき、上記第２部
   分は圧電帰還素子の一部として働らき、上記第１
   圧電層の歪みにより振動する多層圧電撓み素子
   と、 上記感知素子として働らく第１部分を被測定電
   位面に近接対面させるため上記第１部分に対応し
   た開孔が設けられているほかは上記多層圧電撓み
   素子を完全にとり囲むシールド手段とを有するこ
   とを特徴とする静電位を測定するプローブ装置。