CN1965238A - 电位测量器和图像形成设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电位测量器和图像形成设备。该电位测量器包括设置在半导体基片(100)上位于对着测量对象(106)的位置的电极和用来调节测量对象(106)与该电极(101)之间的耦合电容的调节装置(104)。该电极(101)是场效应型晶体管的栅极。通过检测电路按该调节装置的调节频率同步检测在该场效应型晶体管的源极(102)扩散区和漏极扩散(103)区之间流过的已调节电流。通过改变电位测量器的电极(101)和测量对象(106)之间的耦合电容，可以方便地测量场效应型晶体管栅极(101)上出现的输出信号。

Description

电位测量器和图像形成设备

技术领域

本发明涉及一种电位测量器(电位传感器)，其用于不与测量对象接触而测量该对象的电位，并且还涉及一种可以充当复印机或打印机、并且包含这种电位测量器的图像形成设备。

背景技术

已知的含有感光鼓的并且适于通过电子摄像术形成图像的图像形成设备要求保持该感光鼓带电以便均匀地示出某个电位。为此，利用电位测量器测量该带电感光鼓的电位，并且操作反馈控制系统以便利用该测量器的读数保持该感光鼓带电，从而均匀地示出预定的电位。

现在，在下面讨论已知电位测量器的操作。常常将机械调节电场并且对各电极感应交变电流的技术(机械AC场感应式)用于非接触式电位测量器。利用这种技术，测量对象的表面电位是如下面的式(1)表达的从电位测量器中含有的检测电极取得的电流i的幅度的函数：

i＝dQ/dt＝d(C·V)/dt    ...(1)

其中Q是检测电极上出现的电荷量，C是检测电极和测量对象之间的耦合电容，而V是测量对象的表面电压。

电容C由下面的式(2)表达：

C＝A·S/x               ...(2)

其中A是比例常数，S是检测电极的表面面积，而x是检测电极和测量对象之间的距离。

检测电极上出现的电荷量非常小，并且可能易于受到它周围的噪声的影响。因此，常常利用同步检测方法测量该非常小的Q。换言之，通过适当的装置周期地调节检测电极和测量对象之间的电容C的幅度并且从观察到的信号中检测相同的频率分量，获得必要的信号。

在上面说明的典型方法情况下，在测量对象和检测电极之间插入一个叉形开闭器，并且该叉形开闭器沿着平行于测量对象的表面的方向周期地移动，以便在周期调节电力线的模式下部分地阻挡从测量对象到达检测电极的电力线，从而有效地改变检测电极的面积S，并且相应地调节测量对象和检测电极之间的电容C(美国专利4,720,682号)。

另一方面，日益要求在电子摄影图像形成设备中使用小的感光鼓，并且需要在鼓的周围高密集地排列相关元件。同时，还要求电位测量器缩小尺寸并且做得薄。然而，在前面说明的目前可得到的机械AC场感应式传感器情况下，传感器结构的内部空间主要由驱动叉形开闭器的驱动机构、或者进行振荡的叉形振荡器、以及一些其它组件元件占据。因此，为了缩小电位测量器的尺寸，必然需要缩小驱动机构的尺寸。

考虑到上面确定的技术环境，根据前面的式(1)和(2)，从机械AC场感应式电位传感器取得的电流幅度由下面的式(3)给出：

i＝d(A·V·S/x)/dt    ...(3)

从而，由于缩小电位传感器的尺寸，电极的表面面积S减小，这转而减小传感器的输出电流i。由于这种传感器对外部噪声的影响是高度灵敏的，因此它在测量精度上是不利的。

发明内容

在本发明的一个方面，通过提供一种电位测量器达到上面的目的，该测量器包括一个设置在半导体基片上位于对着测量对象的位置的电极，以及一个用来调节测量对象和该电极之间的耦合电容的调节装置，其中该电极是场效应型晶体管的栅极。

在本发明的另一个方面，提供一种图像形成设备，其包括依据本发明的电位测量器和图像形成装置，其中带有栅极的电位测量器的表面排列成对着要测量其电位的图像形成装置的表面，并且其中该图像形成装置通过利用该电位测量器的信号检测输出来控制其图像形成操作。在该图像形成设备中还有效地利用该电位测量器的特性。

这样，依据本发明，通过改变电极和测量对象之间的耦合电容便利了对观察栅极上出现的输出信号的操作。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的示意性透视图，其是一个电位传感器，图中示出该传感器和测量对象之间的位置关系；

图2是本发明的第一实施例的示意性剖视图，示出了半导体基片的内部；

图3是本发明的第一实施例中当遮蔽器(开闭器)被驱动为打开和关闭时相关元件和测量对象之间的位置关系的示意性说明；

图4A和4B是本发明的第一实施例的示意性剖视图，示出遮蔽器(开闭器)完全打开的状态和遮蔽器(开闭器)完全关闭的状态；

图5是本发明的第二实施例的示意性透视图，其是一个电位传感器，图中示出该传感器和测量对象之间的位置关系；

图6是本发明的第二实施例的示意性剖视图，示出了半导体基片的内部；

图7是本发明的第三实施例的示意性说明，其是一个电位传感器，图中示出该传感器和测量对象之间的位置关系；以及

图8是本发明的第四实施例的示意性说明，其是图像形成设备。

具体实施方式

在包括一个作为排列在半导体基片上位于对着测量对象的位置的场效应型晶体管的栅极的电极和一个用于调节测量对象和所述电极之间的耦合电容的调节装置的电位测量器中，该调节装置可以典型地是一个设置在半导体基片上、并适于以恒定周期部分地阻挡对该电极发射的电力线的遮蔽器部分及其驱动机构，或者是一个适于周期地调节测量对象和该电极之间的距离的切换机构。由于该电极是在半导体基片上形成的场效应型晶体管的栅极，所以可借助场效应型晶体管结构并通过改变电极和测量对象之间的耦合电容来放大和检测栅极上出现的输出信号。因而，可能配备高性能的电位测量器。通过检测电路，在调节装置的调节频率下同步检测信号。

依据本发明，还可能实现高灵敏的电位测量器，以及通过在形成晶体管的半导体基片上排列多个上述的场效应型晶体管和遮蔽器的组合来实现含有这种电位测量器的图像形成设备。另外，在依据本发明的图像形成设备中，该图像形成装置可以具有复印机、打印机或传真机的功能。该图像形成装置可以具有绕预定轴转动的感光鼓，并且操作成通过电位测量器测量该感光鼓表面上的电荷的电位。

现在参照说明本发明的各优选实施例的附图来描述本发明。

(第一实施例)

参照图1到3说明本发明的第一实施例。图1示出电位传感器的该实施例的总配置。参照图1，在典型地用硅(Si)做成的板状半导体基片100的表面上形成作为栅极的信号检测电极101、源极102和漏极103。测量对象106设在上方并对着信号检测电极101，而且被驱动以周期振荡的遮蔽器104和用来驱动该遮蔽器以便振荡的驱动机构105排列在基片100上并且位于检测电极101和测量对象106之间。

图2是第一实施例的电位传感器的示意性剖视图，其中详细示出该电位传感器的遮蔽器104处于中间状态(其中遮蔽器的二个可动件不移位并且该二个件的前端彼此按适当的间隔隔开)时基片100的结构及其周围环境。在于基片100上形成的源极扩散区202和漏极扩散区203中植入传导类型与基片100的传导类型相反的杂质。在半导体基片100上形成的并且位于源极102和漏极103之间的绝缘膜201上形成检测电极101。电源电路204和信号检测电路205分别连接到源极102和漏极103。

当在图2的状态下向测量对象106施加电压时，从测量对象106向检测电极101发射电力线206。尽管没有示出，在源极102和漏极103的上方设置适当的覆盖物以覆盖这些电极，从而保护它们不受从测量对象106发出的电力线的影响。

在此状态下，利用遮蔽器104(其是接地的)形成的间隙，电力线206部分地到达检测电极101。这些电力线在检测电极101上感应电荷。此刻，检测电极101上产生的电荷作为测量对象106的电位的函数而变化。在正好位于绝缘膜201下方并且位于源极扩散区202和漏极扩散区203之间的半导体基片100的表面面积里形成的反型层的厚度由检测电极101上的电荷改变。该反型层厚度的变化量取决于检测电极101上的电荷。

当在源极102和漏极103之间施加电压时，电流通过该反型层在源极和漏极之间流过。电流的强度表达为该反型层厚度的函数。因此，在源极和漏极之间流过的电流表达为施加到电位测量对象106上的电位的函数，从而能通过利用检测电路205检测该电流而检测出对对象106施加的电位。

图3、4A和4B是该实施例的电位传感器的示意性剖视图，图中用来说明遮蔽器104的二个移动件彼此示出各自相反的相位并且横向振动时该传感器的操作原理。图3示出遮蔽器104处于静止的中间状态或者通过和图2中示出的一样的位置，同时正在被驱动以便振荡。图4A示出完全打开时的遮蔽器104，而图4B示出完全关闭时的遮蔽器104。注意，出于容易观察的目的，图3、4A和4B未示出绝缘膜201以及其它一些元件。

借助遮蔽器驱动机构105，通过AC电源301在与向遮蔽器驱动机构105供给的驱动信号相同的频率下驱动遮蔽器104以便振荡。AC电源301向同步检测电路302提供与遮蔽器驱动信号频率相同的信号作为基准信号。随着周期地打开和关闭遮蔽器104的二个移动件的前端，周期地调节可以从测量对象106到达检测电极101的电力线206的数量。结果，还调节了检测电极101上感应的电荷以及在源极102和漏极103之间流过的电流。这样，通过利用检测电路205同步地检测同步检测电路302上的电流，可能检测其频率与AC电源301的频率相同并且其强度与测量对象106的电位对应的电流分量。由于同步检测，所以可以相对高灵敏地和高精度地检测该电流分量。

同时，当源极扩散区202、漏极扩散区203以及这二个区之间的正好位于检测电极101下方的区示出了耗尽型场效应晶体管的结构时，源极和漏极之间流过的电流与检测电极101上感应的电荷成正比。换言之，可以把该电位传感器配置成检测与测量对象106的电位成正比的电流。接着，可以把检测电路做成具有相对简单的配置。

这样，当在半导体基片上与通常为一个独立部分的场效应型晶体管的上游放大器电路段一起集成地形成检测电极和部分机械遮蔽器时，可能以低成本实现相对紧凑的机械AC场感应型电位测量器。

(第二实施例)

现在参照图5和6说明本发明的第二实施例。第二实施例的特征在于，在同一块基片上形成多个场效应型晶体管和多个用来调节电力线的遮蔽器，并且每个场效应型晶体管和每个遮蔽器分别具有与它们在第一实施例的对应器件相同的配置。

一种改进电位传感器的检测灵敏性的技术是增加检测电极的表面面积。然而，随着增加检测电极的表面面积，还需要把用来调节电力线的遮蔽器做得大。于是，产生诸如高功耗率和低驱动频率的问题。电位传感器的检测灵敏性可以通过设置大量小检测电极，从而在不使用具有大表面面积的检测电极的情况下增加这些检测电极的总表面面积而得到改进。通过为每个所划分的小检测电极提供一个小巧遮蔽器也能减小遮蔽器的尺寸，从而相应地防止高功耗率和低驱动频率。

然而，如果和多个各与第一实施例的驱动机构相同的驱动机构一起设置多个与第一实施例的遮蔽器相同的遮蔽器，为了控制所有遮蔽器以使它们相同地和同时地操作，将需要一个高复杂的控制机构。为此，在本实施例中使用具有大量开窗的单个开闭器来代替设置多个遮蔽器。

图5示出电位传感器的第二实施例的总配置。参照图5，在对着测量对象408的板状半导体基片400的表面上设置带有多个循环排列的窗405的开闭器结构404。开闭器结构404与开闭器驱动机构406以及支承体407配合，并且在开闭器结构404和基片400之间设置间隙。以这种方式形成和排列开闭器结构404：它可以沿着把开闭器驱动机构406和支承体407相连接的直线A往复运动。

在位于开闭器结构404的各个窗405的正下方的基片400的表面面积上排列检测电极、源极和漏极的多个组合，或者排列多个场效应型晶体管。通过一条源极连接导线403，每个晶体管的源极和电源电路409连接，同时通过一条漏极连接导线402，每个晶体管的漏极和信号检测电路410连接。

图6是与开闭器结构404的一些窗405以及相关检测电极接近的第二实施例的一部分的详细示意性剖视图。在图6中，通过绝缘层504在半导体基片400上设置检测电极501之一，以使其位于开闭器结构404的一个对应窗405的正下方。源极502、源极扩散区505、漏极503、漏极扩散区506、检测电极501和绝缘层504的位置关系与前面参照图2对第一实施例的相应结构说明的位置关系相同。在基片400上以与在开闭器结构404中形成的窗405相同的间距并排地排列相同或同样的第二实施例结构。图6中，在源极扩散区515和漏极扩散区506之间设置高阻抗区517，并且在源极扩散区505和对应的漏极扩散区之间设置另一个高阻抗区507。

通过周期地驱动开闭器结构404以沿图6的方向A振荡从而周期地在检测电极501的上方移动开闭器结构404的窗405，可以调节从测量对象408发出的并且到达检测电极501的电力线数量。

通过源极连接导线403从电源电路409向源极502施加电压。这样，由于通过开闭器结构404的运动调节检测电极501上感应的电荷，半导体基片400中位于绝缘层504正下方的反型区的尺寸相应被调节。于是，源极扩散区505和漏极扩散区506之间流过的电流也被调节。这样，类似于本发明的第一实施例，借助漏极503和漏极连接导线402，通过检测电路410在开闭器结构404的振荡频率下同步检测电流，从而第二实施例可以高灵敏地检测测量对象408的电位。

由于第二实施例中在半导体基片的表面上并排地排列多个场效应型晶体管，所以可能在不同晶体管的源极扩散区和漏极扩散区之间出现相互干扰。例如，电流可能从源极扩散区515流到相邻的晶体管结构的漏极扩散区506。然而，可通过设置高阻抗区507、517、...隔开相邻的晶体管来防止出现这种现象，从而它不会在该实施例中造成任何问题。

在上面的说明中第一和第二实施例使用了通过在检测电极和半导体基片之间插入绝缘体而实现的所谓的“MIS场效应型晶体管(FET)结构”。然而，对于本发明的用途，检测电极和半导体基片之间的关系不受这种MIS结构的限制。例如，对于本发明的用途，可以替代地采用其中绝缘层是用氧化物做成的MOS-FET结构或者不带有绝缘层的MES-FET结构，在原理上不会具有任何问题。

(第三实施例)

在上面说明的每个实施例中调节到达作为晶体管的栅极的检测电极的电力线数量(以便改变前面的式(2)中的S)。然而，如可以从上面的式(2)看出那样，可通过调节测量对象和检测电极之间的距离x来改变耦合电容。在本发明的第三实施例中采用这样的技术。图7是本发明的第三实施例的示意性说明，其是一个电位传感器，图中示出它的配置。

图7示出如何相对于作为测量对象的表面1201排列电位传感器。在图7中，附图标记1202代表用来含有电位传感器的机壳，该机壳覆盖除了检测电极部分之外的摆动体1104的顶部。该机壳用导电材料做成并且接地。通过适当的夹具1203、1204，支承摆动体1104的支承基片1100刚性地与机壳1202配合。由于设置机壳1202，到达检测电极1111、1112的电力线只来自于测量对象的基本上正对摆动体1104的表面部分1201，从而可能遏制噪声分量以及准确地测量电位。在支承基片1100的中央部分形成一个孔，并且该摆动体1104是通过在该孔的中空部分中用一对沿垂直于图7的方向分别设置在板状摆动体1104的前面和后面的扭簧支承的，从而允许摆动体1104绕图7中示出的中心轴线C摆动。

另外，通过绝缘膜(未示出)在摆动体1104的上表面上相对于中心轴线C轴对称地设置二个形状完全一样的板状检测电极(栅极)1111、1112。在图7中的每个检测电极的前方和后方分别设置一组源极、源极扩散区和源极连接导线(未示出)以及一组漏极、漏极扩散区和漏极连接导线(未示出)。这种场效应型晶体管的配置已经在上面对前面的实施例说明过。当驱动摆动体1104绕中心轴线C摆动时，排列在其上的检测电极(栅极)1111、1112被驱动成反相地向着和远离测量对象的表面1201而移动，从而可能如后面更详细说明的那样差动地放大漏极电流。每个漏极和一个在支承基片1100上形成的取出(take-out)电极连接，并且各漏极例如分别和设置在支承基片1100外面的差动放大器的反相输入触点和正相输入触点连接。利用这种布局，通过前面实施例情况中的检测电路差动放大并同步检测漏极电流。当然，也可能在摆动体1104的上表面上设置单个检测电极(换言之，去掉图7中的检测电极之一)并且不与前面实施例的情况一样差动放大地检测漏极电流。

在对该电位传感器添加适当的摆动体驱动机构并且对摆动体1104和扭簧选择适当外形和材料后，驱动摆动体1104以便绕充当转动中心的扭簧的中心轴线C周期摆动，以周期地改变摆动体1104的检测电极与测量对象表面1201之间的距离。接着，与前面的实施例情况中一样，通过调节每个晶体管的源极扩散区和漏极扩散区之间流过的电流，并且利用检测电路在摆动体1104的摆动频率下同步地检测该电流，可检测测量对象1201的电位。用来驱动摆动体1104摆动的摆动体驱动机构典型地由设置在摆动体后表面上的磁体以及当交变电流流过时产生磁场的外部线圈组成。在其它方面该实施例与第一实施例相同。

(第四实施例)

图8是本发明的第四实施例的示意性说明，其是一个图像形成设备。更具体地，图8示意性说明含有依据本发明的电位传感器的电子摄影显影设备的感光鼓和该鼓的邻域。在感光鼓2108的周围设置充电单元2102、电位传感器2101、曝光单元2105和着色剂供给单元2106。通过利用充电单元2102使鼓2108的表面带电并且通过曝光单元2105对感光鼓2108的表面曝光，从而获得潜像。接着，通过着色剂供给单元2106使着色剂附着到该潜像上。然后，把着色剂图像传送到夹在转印件馈送辊2107和感光鼓2108之间的转印件2109上，接着使转印件上的着色剂图像牢固地附着在该转印件上。通过上面说明的步骤形成图像。

在上面说明的布置中，通过依据本发明的高灵敏电位传感器2101测量鼓2108的带电状态，并且通过信号处理单元2103处理来自电位传感器2101的信号并将该信号馈送到高压发生器2104以控制充电单元2102。结果，感光鼓2108稳定地带电，并且稳定地进行图像形成操作以产生高品质的图像。

本申请要求2004年6月8日申请的日本专利申请2004-169274号的优先权，该申请在此引用作为参考。

Claims (8)

1.一种电位测量器，包括设置在对着测量对象的位置上的半导体基片、设置在该半导体基片上的电极以及用于调节测量对象和所述电极之间的耦合电容的调节装置，其中所述电极是场效应型晶体管的栅极。

2.依据权利要求1的测量器，其中所述调节装置包括适用于按固定周期部分地阻挡从测量对象向所述电极发射的电力线的遮蔽器，以及包括该遮蔽器的驱动机构。

3.依据权利要求2的测量器，其中所述遮蔽器及其驱动机构被设置在所述半导体基片上。

4.依据权利要求1的测量器，其中在所述半导体基片上设置多个场效应型晶体管和多个调节装置。

5.依据权利要求1的测量器，其中所述调节装置是适用于周期性地调节测量对象与所述电极之间的距离的摆动机构。

6.依据权利要求1的测量器，其中在所述半导体基片上设置多个电极。

7.依据权利要求1的测量器，其中通过检测电路按所述调节装置的调节频率，同步检测在所述场效应型晶体管的源极扩散区和漏极扩散区之间流过的已调节电流。

8.一种图像形成设备，包括依据权利要求1的电位测量器和图像形成装置，其中承载有栅极的电位测量器的表面被安排在对着作为测量对象的所述图像形成装置的表面的位置上，并且其中，该图像形成装置通过该电位测量器的信号检测输出来控制该设备的图像形成操作。

Images