(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも５つのほぼ平面状の基板層の積層形状を有する、力、重量又は変位を検出するための高分解能センサエレメントにおいて、
ａ．金属化された内面及び金属化された外面を有する第１の基板層を備え、前記金属化された外面は前記センサエレメントの第１の外面を形成し、前記金属化された内面は第１の可変コンデンサの第１のプレートを有し、前記第１のプレートは中心部に配置された貫通孔を更に有し、
ｂ．絶縁層を有する第２の基板層を備え、前記第２の基板層は開口した中央部を有し、前記第２の基板層は第１の面及び第２の面を更に有し、前記第１の面は前記第１の基板層の前記内面に平面状に接触するように装着され、
ｃ．第１の面及び第２の面を有する第３の基板層を備え、前記第１の面は前記第２の基板層の前記第２の面に平面状に接触するように装着され、前記第３の基板層は導電材料から形成されるとともにばね手段により懸吊された中央プレートを有し、
ｄ．絶縁層を有する第４の基板層を備え、前記第４の基板層は開口した中央部を有し、前記第４の基板層は第１の面及び第２の面を更に有し、前記第１の面は前記第３の基板層の前記第２の面に平面状に接触するように装着され、
ｅ．金属化された内面及び金属化された外面を有する第５の基板層を備え、前記金属化された外面は前記センサエレメントの第２の外面を形成し、前記金属化された内面は第２の可変コンデンサの第１のプレートを形成し、前記第５の基板層の前記内面は前記第４の基板の前記第２の面に平面状に接触するように装着され、
ｆ．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央プレートに力を伝達するための手段を備え、前記手段は前記貫通孔を通過するように設けられることを特徴とするセンサエレメント。
【請求項２】
前記第２の基板層及び前記第４の基板層は陽極酸化された面を有するアルミニウムから形成されて前記絶縁層を形成する請求項１に記載のセンサエレメント。
【請求項３】
前記第１の基板層及び前記第５の基板層は両側を覆う銅層を有するガラスエポキシ内部基板を有する回路板材料から形成される請求項１に記載のセンサエレメント。
【請求項４】
前記第１の基板層及び第５の基板層の内面は各々、非金属化された周縁部とともに中央部に配置されたほぼ方形の金属化されたパターンを有し、前記金属化されたパターンは装着される際に一致するように整合される請求項３に記載のセンサエレメント。
【請求項５】
前記第１の基板における前記孔の大きさ及び形状に近く、装着される際にこれと整合される、前記第５の基板の内面における非金属化部分を更に備えた請求項４に記載のセンサエレメント。
【請求項６】
前記第３の基板層はエッチングされた金属層の中に切り込まれたスリットのパターンにより形成される懸架装置により支持された、エッチングされた金属層を有する請求項１に記載のセンサエレメント。
【請求項７】
前記力を伝達するための手段は前記第１の基板層において前記中心部に配置された孔を通過するとともに、前記中央プレートのほぼ中心点において前記第３の基板層の第１の面に接触する非導電性ステムを有する請求項１に記載のセンサエレメント。
【請求項８】
前記力を伝達するための手段は非導電性軸受台を有し、前記軸受台は前記第１の基板層において前記中心部に配置された孔を通過するとともに、前記中央プレートのほぼ中心点において前記第３の基板層の第１の面に接触するステム部分を有し、前記軸受台は軸受台に付与される力を前記中央プレートに伝達し、この結果、前記中央プレートは懸吊された状態で偏向する請求項１に記載のセンサエレメント。
【請求項９】
力、重量又は変位を検出するための高分解能センサエレメントにおいて、
ａ．一対の容量性変換器を備え、各変換器は別個の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有し、前記駆動プレートの第１の駆動プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアッププレートは前記別個の駆動プレート間に配置されるとともに絶縁スペーサにより各駆動プレートから分離され、前記ピックアッププレートが間に装着される時、前記駆動プレートは間隔をおかれて対向する導電面を有し、前記ピックアッププレートは前記駆動プレート間にてばね手段により懸吊された導電性中央プレートを更に有し、前記中央プレートは前記駆動プレートの各々の導電面間にて偏向することが可能であり、
ｂ．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央部分に力を伝達するための手段を備え、前記手段は前記貫通孔を通過するように設けられ、
前記駆動プレートは両側を覆う銅層を有するガラスエポキシ内部基板を有する回路板材料から形成され、
前記駆動プレートの間隔をおかれて対向する導電面は各々、非金属化された周縁部とともに中央部に配置されたほぼ方形の金属化されたパターンを有し、前記金属化されたパターンは一致するように整合され、
前記第１の駆動プレートにおける前記孔の大きさ及び形状に近いとともにこれと整合される、前記第２の駆動プレートの対向する導電面における非金属化された部分を更に備えたセンサエレメント。
【請求項１０】
力、重量又は変位を検出するための高分解能センサエレメントにおいて、
ａ．一対の容量性変換器を備え、各変換器は別個の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有し、前記駆動プレートの第１の駆動プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアッププレートは前記別個の駆動プレート間に配置されるとともに絶縁スペーサにより各駆動プレートから分離され、前記ピックアッププレートが間に装着される時、前記駆動プレートは間隔をおかれて対向する導電面を有し、前記ピックアッププレートは前記駆動プレート間にてばね手段により懸吊された導電性中央プレートを更に有し、前記中央プレートは前記駆動プレートの各々の導電面間にて偏向することが可能であり、
ｂ．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央部分に力を伝達するための手段を備え、
前記力を伝達するための手段は前記第１の駆動プレートにおいて前記中心部に配置された孔を通過するとともに、前記中央プレートのほぼ中心点において前記中央プレートに接触する非導電性ステムを有するセンサエレメント。
【請求項１１】
力、重量又は変位を検出するための高分解能センサエレメントにおいて、
ａ．一対の容量性変換器を備え、各変換器は別個の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有し、前記駆動プレートの第１の駆動プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアッププレートは前記別個の駆動プレート間に配置されるとともに絶縁スペーサにより各駆動プレートから分離され、前記ピックアッププレートが間に装着される時、前記駆動プレートは間隔をおかれて対向する導電面を有し、前記ピックアッププレートは前記駆動プレート間にてばね手段により懸吊された導電性中央プレートを更に有し、前記中央プレートは前記駆動プレートの各々の導電面間にて偏向することが可能であり、
ｂ．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央部分に力を伝達するための手段を備え、
前記力を伝達するための手段は非導電性軸受台を有し、前記軸受台は前記第１の駆動プレートにおいて前記中心部に配置された孔を通過するとともに、前記中央プレートのほぼ中心点において前記中央プレートに接触するステム部分を有し、前記軸受台は軸受台に付与される力を前記中央プレートに伝達し、この結果、前記中央プレートは懸吊された状態で偏向するセンサエレメント。
【請求項１２】
前記絶縁スペーサは陽極酸化された面を有するアルミニウムから形成されて絶縁層を形成する請求項９〜１１のいずれか一項に記載のセンサエレメント。
【請求項１３】
前記ピックアッププレートはエッチングされた金属層の中に切り込まれたスリットのパターンにて形成される懸架装置により支持された、エッチングされた金属層を有する請求項９〜１２のいずれか一項に記載のセンサエレメント。
【請求項１４】
走査プローブ顕微鏡のプローブとサンプルとの間における力を検出するための高分解能センサユニットにおいて、
ａ．センサエレメントを備え、前記センサエレメントは、
１．一対の容量性変換器を有し、各変換器は別個の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有し、前記駆動プレートの第１の駆動プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアッププレートは前記別個の駆動プレート間に配置されるとともに絶縁スペーサにより各駆動プレートから分離され、前記ピックアッププレートが間に装着される時、前記駆動プレートは間隔をおかれて対向する導電面を有し、前記ピックアッププレートは前記駆動プレート間にてばね手段により懸吊された導電性中央プレートを更に有し、前記中央プレートは前記駆動プレートの各々の導電面間にて偏向することが可能であり、
２．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央プレートに力を伝達するための手段を有し、前記手段は前記貫通孔を通過するように設けられ、
ｂ．交流キャリア信号を前記一対の駆動プレートに付与するための手段を備え、前記駆動プレートの一方に対する信号は前記駆動プレートの他方に対する信号に対して１８０度位相がずれ、
ｃ．前記ピックアッププレートからの出力信号を監視するための手段を備え、前記手段は前記出力信号を同期的に復調し、前記軸受台に付与される前記力に比例する直流信号を生成し、
前記駆動プレートは両側を覆う銅層を有するガラスエポキシ内部基板を有する回路板材料から形成され、
前記駆動プレートの間隔をおかれて対向する導電面は各々、非金属化された周縁部とともに中央部に配置されたほぼ方形の金属化されたパターンを有し、前記金属化されたパターンは一致するように整合され、
前記第１の駆動プレートにおける前記孔の大きさ及び形状に近いとともにこれと整合される、前記第２の駆動プレートの対向する導電面における非金属化された部分を更に備えたことを特徴とするセンサユニット。
【請求項１５】
走査プローブ顕微鏡のプローブとサンプルとの間における力を検出するための高分解能センサユニットにおいて、
ａ．センサエレメントを備え、前記センサエレメントは、
１．一対の容量性変換器を有し、各変換器は別個の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有し、前記駆動プレートの第１の駆動プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアッププレートは前記別個の駆動プレート間に配置されるとともに絶縁スペーサにより各駆動プレートから分離され、前記ピックアッププレートが間に装着される時、前記駆動プレートは間隔をおかれて対向する導電面を有し、前記ピックアッププレートは前記駆動プレート間にてばね手段により懸吊された導電性中央プレートを更に有し、前記中央プレートは前記駆動プレートの各々の導電面間にて偏向することが可能であり、
２．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央プレートに力を伝達するための手段を有し、
ｂ．交流キャリア信号を前記一対の駆動プレートに付与するための手段を備え、前記駆動プレートの一方に対する信号は前記駆動プレートの他方に対する信号に対して１８０度位相がずれ、
ｃ．前記ピックアッププレートからの出力信号を監視するための手段を備え、前記手段は前記出力信号を同期的に復調し、前記軸受台に付与される前記力に比例する直流信号を生成し、
前記力を伝達するための手段は前記第１の駆動プレートにおいて前記中心部に配置された孔を通過するとともに、前記中央プレートのほぼ中心点において前記中央プレートに接触する非導電性ステムを有することを特徴とするセンサユニット。
【請求項１６】
走査プローブ顕微鏡のプローブとサンプルとの間における力を検出するための高分解能センサユニットにおいて、
ａ．センサエレメントを備え、前記センサエレメントは、
１．一対の容量性変換器を有し、各変換器は別個の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有し、前記駆動プレートの第１の駆動プレートは中心部に配置された貫通孔を有し、前記ピックアッププレートは前記別個の駆動プレート間に配置されるとともに絶縁スペーサにより各駆動プレートから分離され、前記ピックアッププレートが間に装着される時、前記駆動プレートは間隔をおかれて対向する導電面を有し、前記ピックアッププレートは前記駆動プレート間にてばね手段により懸吊された導電性中央プレートを更に有し、前記中央プレートは前記駆動プレートの各々の導電面間にて偏向することが可能であり、
２．前記中央プレートから遠く離れた点から前記中央プレートに力を伝達するための手段を有し、
ｂ．交流キャリア信号を前記一対の駆動プレートに付与するための手段を備え、前記駆動プレートの一方に対する信号は前記駆動プレートの他方に対する信号に対して１８０度位相がずれ、
ｃ．前記ピックアッププレートからの出力信号を監視するための手段を備え、前記手段は前記出力信号を同期的に復調し、前記軸受台に付与される前記力に比例する直流信号を生成し、
前記力を伝達するための手段は非導電性軸受台を有し、前記軸受台は前記第１の駆動プレートにおいて前記中心部に配置された孔を通過するとともに、前記中央プレートのほぼ中心点において前記中央プレートに接触するステム部分を有し、前記軸受台は軸受台に付与される力を前記中央プレートに伝達し、この結果、前記中央プレートは懸吊された状態で偏向することを特徴とするセンサユニット。
【請求項１７】
前記絶縁スペーサは陽極酸化された面を有するアルミニウムから形成されて絶縁層を形成する請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は力（重量を含む）及び変位の測定及び／又は表示を行う高精度の装置に関する。更に詳細には、本発明は複合プレートコンデンサシステムを有するセンサを組み込んだ装置に関する。
発明の背景
力、重量及び相対位置を精密に測定する多くの用途が当業者には周知である。例えば、孔、溝又は他の表面特性を互いに正確に示し、又は製造するための工具は正確な位置又は変位測定を必要とする。電子部品の製造において使用されるような小型部品の変位又は位置を正確に測定することは、特に重要である。
微量にて力又は重量を正確に測定することは、そのような測定を行うための器具とともに周知である。ひずみゲージ変換器はそのような測定のための工業上認められた器具の１つである。これらの器具はサンプルの微小硬さ試験のような実験室での分析に使用することができる。更に、微量な組成物を高分解能にて測定するための実験室スケールが化学、生物、薬物及び医療分野において周知である。
ひずみゲージ変換器における分解能に対する周知の制約は器具の信号対雑音比である。ひずみゲージ変換器は僅か数ミリボルトの出力を有している。ひずみゲージ変換器に対して可能な最小ノイズレベルはひずみゲージの抵抗素子に対する熱雑音により設定されると考えられる。例えば、３５０Ｏｈｍの抵抗を有する市販ひずみゲージ変換器に対するノイズを計測すると１Ｈｚの帯域幅にて２．４ｎＶである。
最近になり、走査プローブ顕微鏡の進歩により微細なレベルにて重量及び位置を高分解能にて測定する必要が生じてきた。１９８９年１０月号のサイエンティフィックアメリカン誌（Scientific American）、９８〜１０５頁、「走査プローブ顕微鏡（Scanned-Probe Microscope）」においてウィクラマシンゲ（Wickramasinghe）により開示されているように、走査プローブ顕微鏡は直径が１個の原子ほどのプローブを用いて非常な近距離にて表面を検査することを可能にするとともに、他の顕微鏡を受けつけないスケールにて特性及び性質を分解する。
本明細書中に記載されるウィクラマシンゲの開示では、２種類の走査プローブ顕微鏡を開示している。第１は走査トンネル（scanning tunneling）顕微鏡であり、第２は原子力顕微鏡である。
原子力顕微鏡では、走査プローブ装置はラスタパターンにて標本上の金属箔に装着された原子的に鋭利なダイヤモンドのような微小先端部を移動させる。この器具は表面上の原子の電子雲を有する先端部において力の形状、電子雲の重なりにより発生する反発力を記録する。実際、蓄音機の針のように先端部は表面を読み取る。箔はばねとして作用し、先端部が原子の微細構成により上下に突き動かされる際に表面に付勢されているようにする。
原子力顕微鏡では、力の変動により試験サンプルの微細構成の分解能が左右されると考えられる。例えば、器具の先端部及びサンプルの双方に必然的に集まる水及び他の汚染物質の薄膜は、トラッキング圧力を増大させる粘着力を生じさせる。従って、器具の先端部とサンプルとの間における力を正確に監視することが表面の微細構成を正確に測定するのに不可欠であると考えられる。
走査トンネル顕微鏡はプローブと表面との間の間隙を通り抜ける電子により原子スケールの微細構成を検知する。印加電圧の変化に応じて大きさを僅かに変化させる圧電セラミックは、走査トンネル顕微鏡のタングステンプローブを３次元に移動させる。電圧が先端部に印加され、伝導又は半伝導しているはずの表面に向かって移動させられ、トンネル電流が流れ始める。そして、先端部はラスタパターンにて前後に走査される。トンネル電流は微細構成により変動する傾向にある。表面解放に続き、先端部を上下に移動させてフィードバック機構が応答する。先端部の移動は表面の像に変換される。
走査トンネル顕微鏡については、表面からの先端部距離が維持されなければ、表面の微細構成の測定は不正確になると考えられる。従って、測定周期にわたって先端部によりサンプルに付与される力を測定すれば、その距離が維持されることを確認するのに役立ち、微細構成の測定の精度に対するクロスチェックを提供する。
ボニン（Bonin）ら（米国特許第４，６９４，６８７号）は重力（G-forces）における変化を検出し、かつこのような変化に比例するデジタル計数値を生成するための容量性加速度計を組み込んだ車両性能解析器を開示している。センサは力の加速の変化に応答するビームにより支持された可動プレートの反対側に配置された、間隔をおかれた並行な一対のプレートを備えた容量性変換器を有している。ボニンらは図３においてビームにより支持された可動プレートが間隔をおかれた並行なプレートの間においてアクセスから密閉されていることを開示している。従って、物理的にアクセス可能ではないが、可動プレートはこのような力に対して垂直に装着される時、加速中に重力を受けると撓み、変位する。ボニンら（米国特許第４，６９４，６８７号）については本明細書中に記載されているものとする。
発明の要約
本発明は力、重量又は位置のセンサユニット及びセンサエレメントを提供する。センサからの出力は測定されるサンプルの重量、力又は相対位置に比例するＤＣ信号に変換される。この変換は、例えば米国特許第４，６９４，６８７号においてボニンらにより概略的に開示されているように遂行される。
好ましい実施形態において、センサは、ピックアッププレートに力が付与される時、所望の相対運動を付与するように適正な懸架装置に装着された駆動プレート及びピックアッププレートを有する複合コンデンサシステムを用いる。駆動プレートはほぼ５０ＫＨｚのＡＣキャリア信号により駆動され、駆動信号は互いに１８０度、位相がずれる。
出力信号は非常に高い入力インピーダンス（例えば、１００Ｍ Ｏｈｍ−０．３ｐＦ）の緩衝増幅器の中を流され、次に同期的に復調されて力又は変位に比例するＤＣ信号を生成する。出力は変位の一方向では正であり、反対方向では負である。
本発明に基づくセンサエレメントは一対の容量性変換器を有し、各変換器は個別の駆動プレート及び共通のピックアッププレートを有する。一対の駆動プレートの１つは駆動プレートの中心部に配置された貫通孔を有する。ピックアッププレートは一対の駆動プレート間に配置されるとともに、絶縁スペーサにより各駆動プレートから間隔をおかれる。従って、好ましい実施形態において、駆動プレートはそれらの間にピックアッププレートが装着される時、通常、間隔をおかれて対向する導電面を有する。通常、ピックアッププレートは駆動プレートの間にてばね手段により懸架された導電性中央プレートであって、中央プレートは各駆動プレートの導電面の間にて偏向することが可能である。
センサエレメントは中央プレートから遠く離れた点から中央プレートに力を伝達するための手段を有する。この手段はピックアッププレートに取り付けられ、このプレートと一致するように移動するサンプルホルダを有することが可能である。また、１つの駆動プレートにおける孔に貫通され、中央プレートに接触する如何なるロッド又は部材もピックアッププレートに力を伝達する。実際、出力はピックアッププレートの位置に比例するが、センサが線形の力対変位関係を有するように構成されるため、力を表すように容易に較正され得る。
好ましい実施形態において、サンプルホルダは１つの駆動プレートにおいて中心部に配置された孔を貫通するとともに、ピックアッププレートの導電性中央プレートの表面に接触状態となるステム部分を有する軸受台である。中央プレートとの接触は中央部の塊体のほぼ中心点である。従って、軸受台は軸受台に付与される力を中央プレートに伝達し、その結果、中央プレートが偏向する。軸受台のステムと駆動プレートにおける孔との間の空間にほこり又は他の汚染物質が侵入するのを防止するように、ダイアフラムシートを設けることが可能である。
開示された力センサは、走査トンネル顕微鏡又は原子力顕微鏡のような走査プローブ顕微鏡とともに用いると特に有用である。しかし、センサは微細な測定の高分解能を必要とする重量、力又は変位を測定するための如何なる用途にも当てられると考えられる。本発明の力センサは１００，０００対１を上回る分解能を有している。センサは１／２インチ（１．２７ｃｍ）平方、かつ厚さが１／８インチ（３．１８ｍｍ）であって、これによりセンサは既存の走査プローブ顕微鏡のサンプルホルダ領域に装着される。そして、鏡検を受けるサンプルはセンサの上部に装着可能である。これにより、顕微鏡の先端部によりサンプルに付与される力が直接読み取られる。
本発明の特徴を組み込んだセンサは、同時走査トンネル顕微鏡法又は原子力顕微鏡法の結像能力により、サンプルの超ミクロの硬度を測定するための装置として使用することも可能である。本発明のセンサは３０マイクログラムに達する分解能を有する、３グラムのフルスケール範囲を容易に付与可能であることが見出された。
本発明のセンサの信号対雑音比は既存のひずみゲージ変換器に対して計算される信号対雑音比より遙かに高い。前記のように、ひずみゲージ変換器に可能な最小ノイズレベルはひずみゲージエレメントの熱雑音により設定される。これとは対照的に、本発明の容量性センサはセンサのインピーダンスにより制御されるノイズレベルを有する。これにより、ひずみゲージの信号対雑音比を１０倍以上も上回る、本発明の容量性変換器の信号対雑音比が可能になる。この差違は本発明のセンサの熱安定性を向上させ、即ちベースラインドリフトに至るような熱変化を補正することにより拡大すると考えられる。
本発明のセンサエレメントは、従来のプリント回路エッチング技術を用いて容易に製造される、第１及び第２の連続的に接続された可変コンデンサを備える。より詳細には、センサは５つの基板の積層形状を備える。
最も外側の２つの基板、即ち第１の基板及び第５の基板は各側部に金属面を有する。最も外側のプレートの内側における金属面の一部は、各々、異なる可変コンデンサの第１のプレート（駆動プレート）を備える。第１の基板は接触したり、又は摩擦によって移動を抑制されることなく、（例えば、サンプルホルダから）ピックアッププレートに力を伝達するための手段を受承するための孔、即ち貫通路を更に有する。ピックアッププレートについては以下により詳細に説明する。第５の基板は正反対に位置するとともに第１の基板における孔、即ち通路の大きさに一致する領域を有し、金属面は内面にてこの領域からエッチングされる。これを行うのはセンサの応答の直線性を維持するためである。第１の基板及び第５の基板の外側の金属面は周知の方法にてシールドとして作用する。
第１及び第５、即ち外側の基板は、それぞれ第２の基板及び第４の基板に隣接する。第２の基板及び第４の基板は以下に説明する第３の基板の中央プレートと少なくとも同程度の大きさの開口した中央部分を有する絶縁基板、即ちフレーム部材を備える。
第３の基板はこれら２つの絶縁フレーム部材間にサンドイッチ状にされる。第３の基板の一部は第１の基板及び第５の基板により形成される一対の可変コンデンサ用の共通の第２のプレート、即ちピックアッププレートを備える。第３の基板はばね状部材により懸吊された平面中央プレートを有する。好ましい実施形態において、ばね状部材は比較的薄い４つのＬ形ばねを有する。従って、５つの基板が互いにサンドイッチ状にされる時、金属の塊体はフレーム開口において変位可能である。
中央プレートに力を伝達するための手段、例えばサンプルホルダ、即ち軸受台は接触せずに第１の基板及び第２の基板を通過するが、中央部に近接し、懸吊された金属塊体に隣接し、接触し、又は付着する。このように、サンプルホルダ、即ち軸受台に付与された力は懸吊された金属塊体の変位に変換される。
上記概略構成における種々の基板層に対する電気的接続は、複合層プリント回路アセンブリでは一般的な従来のプレートスルーホール技術を用いて形成される金属孔の中を挿入される導電性ピンにより可能である。
交流キャリア信号を一対の駆動プレートに付与するための手段が設けられる。高周波オシレータからの交流信号は第１の基板及び第５の基板、即ち変換器の最も外側の２つの固定プレートに関連した端子を横切るように印加され、中央の変位可能なプレート（ピックアッププレート）は出力を付与する。このように、中央の可動プレートの撓み量に比例するプッシュプル信号が生成され、次に増幅され、そして出力信号を監視するための手段により同期的に復調される。力、重量又は変位に比例するＤＣ電圧信号を生成することができる。
本発明を特徴付ける、これら及び種々の他の新規性の利点及び特徴は、本明細書に添付され、本明細書の一部をなす請求の範囲に特に示される。しかし、本発明、本発明の利点及び本発明を用いることにより得られる目的をより理解するには、本明細書の更なる部分をなす図面、及び本発明の好ましい実施形態が例示され、説明された添付の記述事項を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
１つの図は本発明に基づく容量性センサエレメントの分解図を示す。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の詳細な実施形態について説明する。しかし、開示される実施形態は種々のシステムにおいて具体化可能な本発明の例にすぎないことを理解されたい。従って、本明細書において開示された詳細事項は限定するものではなく、請求の範囲の根拠として、かつ当業者が様々に本発明を実施するように示唆するための典型的な根拠とみなすべきである。
本発明の力（重量を含む）又は位置を表示する装置は３つの構成部品を有している。第１の部品はセンサエレメントであって、これは複合プレートコンデンサシステムである。第２の部品はＡＣキャリヤ信号を入力するための手段であり、第３の部品はセンサエレメントの出力を監視し、好ましくはセンサからの出力を力、重量又は変位に比例するＤＣ信号に変換するための手段である。
次に図について説明するが、これは本発明のセンサエレメント２の構成部品の分解図を示すものである。機能上、センサエレメントは２つの変換器４，６を備え、これらは直列に接続されるとともに容量性分圧器を形成する２つの可変コンデンサとして機能する。センサエレメント２全体はサンドイッチ状にされて変換器を形成する５つの基板層８，１０，１６，１４，１２を有している。センサエレメント２は周知のプリント回路エッチング技術を用いて組み立てることができる。
第１の基板層８及び第５の基板層１２は変換器の駆動プレート、即ち固定プレートを有し、キャリア信号により駆動される。キャリア信号はほぼ５０ＫＨｚのＡＣ信号であって、これら最も外側の基板層８，１２に対する信号は互いに１８０度位相がずれている。
第１の基板８及び第５の基板１２の露出外面は金属被覆、例えば銅により覆われている。この金属層はＥＭＩノイズに対するシールドとして機能する。第１の基板８及び第５の基板１２の内面には金属化されたパターン３０が設けられている。この金属化されたパターンは各基板上にて駆動プレートを形成している。第１の基板８の内面における金属化されたパターンは第５の基板１２上の金属化されたパターンに概して一致している。図示するように、金属化されたパターン３０、即ち第５の基板１２の内側における駆動プレートは、ほぼ方形のフレームパターン３１を有することができる。基板の金属化されたパターン３１の周囲に延びているのは、非金属化された開口３２を形成するチャネルである。この非金属化された開口３２の中心部に配置されているのは、導電体の方形金属化されたパターン３１であって、導電性端子部分３４に至る導電性リード線３３を有している。
第１の基板８の内面における金属化は第５の基板１２の内面の金属化に類似しているが、２つの例外が存在する。第１の相違点は、センサエレメント２が組み立てられる時、各基板の端子部分３４，３６が垂直方向に整合されるのではなく、互いにずらされることである。第２の相違点は、第１の基板８の厚みを貫通して中心部に配置された透孔２２を設けたことである。透孔２２はサンプルホルダ２７又は力を伝達するための他の手段を受承するために中心部に配置されるが、これについては以下に更に詳細に説明する。
第５の基板１２の内面は透孔２２に対応する非金属化又はエッチングされた部分３８を有している。透孔２２にほぼ対応する非金属化又はエッチングされた部分３８を設けることにより、第１の基板８及び第５の基板１２の内側層の各々に対して互いの鏡像となるように導電体の方形金属化されたパターン３０が設けられている。このように設けることは一対の容量性変換器４，６から線形応答を付与するのに必要である。
センサエレメント２又は第１の基板８並びに第５の基板１２の外層は両面に銅を有する１／１６インチ（１．５８ｍｍ）のガラスエポキシのような標準回路板材料から製造することが可能である。労力要件を軽減すべく、多数の外層基板が一度に製造される。例えば、１／２インチ（１．２７ｃｍ）平方の大きさの約１００個の基板層を製造するのに６インチ（１５．２ｃｍ）の材料シートを用いることができる。第１の基板８及び第５の基板１２の金属化された部分３０のパターンは、最初に銅においてエッチングされる。基板は大きい材料シート内における個々のデバイスの周囲に搬送され、材料の薄いタブのみを残し、これらを結合する。これらタブによりデバイスは組立後に切り離される。
第２の基板層１０及び第４の基板層１４はスペーサ層を備えている。図示するように、これらの層１０，１４はほぼ方形であって、中央部に形成されたほぼ方形の開口を有し、この開口は基板を完全に貫通して延びている。スペーサ層である第２の基板１０及び第４の基板１４は絶縁体であるか、又は絶縁被覆により覆われる必要がある。絶縁体１０，１４を貫通する開口は以下に説明する第３の基板１６上の中央プレート２０、及びこれも以下に説明する関連した適正な懸架装置１８の大きさに等しいか、又はそれ以上である。
第２の基板１０及び第４の基板１４は両面に絶縁被覆を有する、エッチングされた金属から製造することができる。この絶縁被覆はエポキシ、又はエナメル磁気ワイヤ上にて使用されるような他の有機被覆でもよいが、スペーサにアルミニウムを用いてこれを陽極酸化し、酸化アルミニウムの絶縁被覆を形成することにより最良の結果が得られると考えられる。
絶縁スペーサである第２の基板層１０及び第４の基板層１４は使用するフォトレジスト化学薬品の種類に応じ、まずエッチングされてから次に陽極酸化され、又はまず陽極酸化されてから次にエッチングされる。好ましい方法は両面に薄い（０．０００１２インチ（０．００３ｍｍ））陽極酸化層を有するアルミニウムシートストックを調達して用いることである。この陽極酸化層により、センサエレメント２の他の層を形成するのに使用することが可能な陽性（positive）液状フォトレジストと良好に粘着する。露出したアルミニウムについては、レジストはエッチングされる縁部において剥離する性質があり、所望の大きさを維持することを困難にする。
エッチング後、フォトレジスト及び元の陽極酸化処理は取り除かれ、部品は所望の絶縁の厚さに陽極酸化される。０．０００５インチ（０．０１２７ｍｍ）又はそれ以下の厚さの陽極酸化層が必要な電気絶縁を付与するものと考えられるが、外層シールドである第１の基板層８及び第５の基板層１２と以下に説明する中央プレートである第３の基板層１６との間におけるキャパシタンスを最小にするように、極力厚くすることが望ましい。
第３の基板層１６は絶縁層である第２の基板層１０と第４の基板層１４との間にサンドイッチ状にされている。第３の基板層１６は一対の変換器４，６に共通なピックアッププレートを有している。中央プレート２０は適正な懸架装置１８に装着され、第３の基板層１６における中央プレート２０、即ちピックアッププレートの所望の相対運動を付与する。第３の層、即ち中央基板層１６はスリット１９のパターンにより形成された懸架装置１８により支持された、エッチングされた金属層であってよい。従って、中央プレート２０は懸架装置１８の周囲の枠組により懸吊された固形部分、即ち塊体である。第３の基板層は電気的接続用の端子１７を更に有している。中央プレートとして使用するのに好ましい金属はベリリウム−銅合金である。
４つのＬ形スリット１９のパターンが図示されているが、中央プレート２０に同様のばね支持構造を付与するのに他のパターンを用いることも可能であると考えられる。更に、この基板の素材の厚さ及びばねエレメントの大きさを変更することにより、中央部に支持された塊体、即ち中央プレート２０に対し、効果的な種々のばね定数が得られると理解される。従って、第３の基板層１６の中央プレート２０に付与される単位力（unit force）当たりの運動の全範囲は、設計によって様々になる。従って、種々の全範囲のセンサを製造することが可能である。
５つの基板層８，１０，１６，１４及び１２が組み立てられる時、第３の基板層１６の中央プレート２０は絶縁基板である第２の基板層１０及び第４の基板層１４に形成された開口内の中央部に配置される。従って、中央プレート２０は第１の基板層８及び第５の基板層１２に対して自由に偏向する。
各層は手で組み立てることができ、基板の全周囲に挿入されるとともに外側層にはんだ付けされたピンを用いて結合する。組み立てられると、種々の内部層、即ち基板間の選択的電気接続は、米国特許第４，６９４，６８７号においてボニン（Bonin）らにより開示されているように、容易に可能である。
中央プレート２０から遠い点から中央プレート２０に力を伝達するための手段２７が設けられている。この手段はサンプルホルダ２７を有することが可能であり、これはサンプルの重量により発生させられた力を第３の基板層１６の中央プレート２０に伝達する機能を有している。好ましい実施形態において、サンプルホルダ２７はサンプル保持面２６及びステム部分２８を有する軸受台である。ステム部分２８は第１の基板層８における透孔２２を貫通し、第２の基板層１０における開口を貫通して延びる。センサが組み立てられる時、ステム部分２８の底面２９は中心点２３において中央プレート２０の上面に接触する。ステム部分２８と透孔２２の壁部との間の空間はダイアフラムシート又は他の密閉手段により汚染から密閉されることが好ましい。ダイアフラムシート又は他の密閉手段は軸受台又は力を伝達するための他の手段２７の運動を妨害することなく、ほこりの侵入を防止する。
従って、機能上、サンプル又は他の手段によりサンプルホルダ２７のサンプル保持面２６に加えられた重量又は力は、第３の基板層１６の中央プレート２０に伝達されるとともに、サンプルホルダ２７の表面に加えられた力に比例して中央プレート２０を偏向させる。従って、中央プレート２０は力を受け、最も外側のにある基板である第１の基板層８及び第５の基板層１２の一方又は他方に対し、接近するか、又は遠ざかる。勿論、サンプルホルダ２７は表面２６に「負荷」をかけることなく、移動エレメント又は力付与エレメントに直接接続させてもよい。実際、表面２６はこの目的に適ったコネクタと置き換えてもよい。
最も外側のプレート、即ち第１の基板層８及び第５の基板層１２にキャリア信号を供給するための手段が設けられている。この信号はＡＣ信号である。このような手段は５０ＫＨｚの交流信号を生成するオシレータを有する。各最も外側のプレートに対する信号は他方の最も外側のプレートに供給される信号に対して１８０度位相がずれていることが好ましい。
センサエレメント２からの出力を読み取り、この出力を中央プレート２０の力、重量又は変位に比例した信号に変換するための手段も設けられている。一般的に、出力信号は非常に高い入力インピーダンス（１００ＭＯＨＭ−０．３ｐＦ）の緩衝増幅器に貫流され、同期的に復調されてＤＣ信号を生成する。このＤＣ信号は中央プレート２０の力、重量又は変位に比例する。出力は変位の一方向に対して正であり、反対方向に対して負である。サンプルホルダ２７、即ち力を伝達するための手段は中央プレート２０に取り付けられるか、又は接触させられ、この中央プレート２０と一致するように移動すると理解される。実際、センサ２の出力は中央プレート２０の位置に比例するが、センサが線形力−変位関係を有するため、容易に較正されて力（重量を含む）を表す。
サンプルホルダ２７、即ち力を伝達するための手段は絶縁材から製造されるか、又は絶縁材で被覆される必要があると理解される。更に、透孔２２の内径とステム部分２８の外径との間隙は、センサエレメント２の感度を低下させるおそれがある摩擦効果を回避するに足るものである必要がある。
本発明の容量性変換器の信号対雑音比は現在使用されている金属ひずみゲージ変換器の信号対雑音比より遙かに優れている。ひずみゲージ変換器の最小ノイズレベルはひずみゲージの抵抗素子の熱雑音により決められる。このノイズは抵抗の平方根に比例する。出力信号は入力信号に比例するが、入力信号の非常に僅かな部分にすぎない。市販スケールひずみゲージ変換器から得られる典型的な値は、５ミリボルトのフルスケール出力において１７５０ｈｍ抵抗である。
本発明の３プレート容量性変換器は抵抗性変換器のようにノイズを発生させないが、信号を増幅器に接続することなく使用することはできず、増幅器は非常に高い入力抵抗を有する必要があり、従って、増幅器はノイズを発生させる。このノイズの下限は増幅器の効果的入力インピーダンスにより決められる。容量性変換器は増幅器入力インピーダンスと並行であって、増幅器入力インピーダンスは変換器のインピーダンスより遙かに大きいため（でなければ出力は非常に非線形になる。）、効果的な入力インピーダンスは変換器のインピーダンスに等しい。
変換器のインピーダンスはキャパシタンス及び作動周波数によって決まる。作動周波数が高くなると、変換器のインピーダンスが低下する（Ｘc＝１／６．２８ＦＣ）。プレート間に０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）の間隔を有する１／２インチ（１．２７ｃｍ）平方の装置では、キャパシタンスは約１０ｐＦである。作動周波数は都合の良いように如何なる値でもよく、増幅器及び関連回路の周波数応答によってのみ制限される。変換器のフルスケール出力信号は入力電圧に等しく、これは控えめに１０ボルトとされる。容量性変換器のフルスケール出力は１０Ｖであり、これはひずみゲージ変換器（５ｍＶ）の２，０００倍の大きさである。インピーダンス、従って発生するノイズは容量性変換器については大きくなるが（相当高価な部品を要する非常に高い周波数の場合は除く。）、遙かに高い固有出力レベルに起因し、容量性変換器の信号対雑音比は著しく優れている。
以下の表は２つの変換器の信号対雑音比の関係を示す。
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上記の表から容易に明らかであるように、本発明の容量性変換器センサは電子ノイズを基にしてひずみゲージより遙かに優れている。
容量性変換器、即ちセンサエレメント２の出力は中央塊体部分２０、即ち電極の変位に比例するため、スケール、即ち変位の測定として使用されるデバイスが製造されることが考えられる。第１に、中央プレート２０を支持する懸架装置１８に対して適正な剛性を選択し、その結果、サンプルホルダ２７、即ち力を伝達する手段が物体を偏向させ、その実際の位置を変化させてしまう過度の力を付与することなく、測定される面に確実に付勢されるようにすることが必要である。第２に、絶縁スペーサである第２の基板層１０及び第４の基板層１４は中央プレートを十分にオフセットするように異なる厚さで製造されることが考えられる。分解能が１００，０００分の１の状態で、このようなセンサは０．１マイクロインチ、即ち僅か２５オングストローム若しくはそれ以上にまで変位を分解することが可能であると考えられる。
本明細書に包含される本発明の新しい特徴及び利点が前記において示された。しかし、本開示は多くの点で例示するものにすぎないことを理解されよう。本発明の範囲を逸脱することなく、特に形状、大きさ及び部品の配置に関して詳細な変更が可能である。勿論、本発明の範囲は添付された請求の範囲が表される用語にて規定される。
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