(57)【要約】機械的ノードＮ３において一方の端部が支持された細長い振動片持ち梁100と、この片持ち梁100の他方の端部に取付けられており、測定されるべき電荷、電界または電位に向かって配置されるように構成された感応性電極114と、この電極114と測定されている電荷、電界または電位との間の容量性結合を変化させるように片持ち梁100を振動させる片持ち梁100上の駆動トランスデューサ105とを備えた静電気を測定するセンサである。この駆動トランスデューサ105は梁100に沿ったある位置に配置され、その梁100に沿って仮想の機械的ノードが現れるように振動周波数で動作されるため、機械的ノードの振動が防止され、その結果機械的ノードの剛性の程度は動作周波数に影響せず、また種々の空間分解能特性による測定を可能にされた片持ち梁100の自由端における変位に影響を与えない。
2005501260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）２つの端部を有する細長い振動素子と、
（ｂ）前記振動素子の前記端部の一方を片持ち梁として支持し、前記端部において機械的取付けノードを規定する手段と、
（ｃ）振動素子上において前記端部の他方の付近に位置し、感応性電極への容量性結合を有する電荷、電界または電位が検出されるように配置された感応性電極と、
（ｄ）前記感応性電極と検出されている電荷、電界または電位との間の容量性結合を変化させる方向に予め定められた周波数で前記素子を振動させるように、前記振動素子上の予め定められた位置に堅牢に取付けられた駆動トランスデューサと、
（ｅ）前記素子を振動させるために前記駆動トランスデューサを動作させるように、前記駆動トランスデューサに接続された発振器とを備えており、
（ｆ）前記駆動トランスデューサの位置および前記素子の振動周波数は、取付けノードの剛性の程度が梁の動作周波数または梁の自由端の変位に顕著な影響を及ぼさないように前記取付けノードに与えられる正味トルクを大幅に減少させるために実質的に補償するトルクが梁の機械的ノードで生成されるように片持ち梁の基本振動周波数より上の周波数で前記素子を振動させるように選択され、
（ｇ）検出されている電荷、電界または電位に関する情報を含む電気信号を前記感応性電極から獲得する手段を備えている静電電圧計のような静電検出器用のセンサ。
【請求項２】
前記駆動トランスデューサは、片持ち梁の振動の選択されたモードに対して曲率が最大となる梁上の位置に配置されている請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
選択された梁の振動モードは第２のノードである請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
電気信号を獲得する前記手段は増幅器を含んでいる請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
さらに、前記素子の振動周波数を感知するためのフィードバックトランスデューサを前記振動素子上に備えている請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
さらに、前記素子を予め定められた周波数で振動させるように前記発振器を制御するために、前記フィードバックトランスデューサおよび前記発振器に接続された制御装置を備えている請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
（ａ）２つの端部を有する細長い振動素子と、
（ｂ）前記振動素子の前記端部の一方を片持ち梁として支持し、前記端部において機械的取付けノードを規定する手段と、
（ｃ）振動素子上において前記端部の他方の付近に位置し、感応性電極への容量性結合を有する電荷、電界または電位が検出されるように配置された感応性電極と、
（ｄ）前記感応性電極と検出されている電荷、電界または電位との間の容量性結合を変化させる方向に予め定められた周波数で前記素子を振動させるように、前記振動素子上の予め定められた位置に堅牢に取付けられた駆動トランスデューサと、
（ｅ）前記素子を振動させるために前記駆動トランスデューサを動作させるように、前記駆動トランスデューサに接続された発振器とを備えており、
（ｆ）前記駆動トランスデューサは前記片持ち梁の第２の振動モードに対応した周波数で動作され、前記振動素子の中央における第２の振動モードに対応したモードのピークに重なるようにこの振動素子上に配置され、
（ｇ）検出された電荷、電界または電位に関する情報を含む電気信号を前記感応性電極から獲得する手段とを備えており、
（ｈ）それにより、片持ち梁と機械的取付けノードとの間の振動の隔離が行われる静電電圧計のような静電検出器用のセンサ。
【請求項８】
電気信号を獲得する前記手段は増幅器を含んでいる請求項７記載のセンサ。
【請求項９】
さらに、前記素子の振動を感知するためのフィードバックトランスデューサを前記振動素子上に備えている請求項７記載のセンサ。
【請求項１０】
さらに、第２の振動モードに対応した前記周波数で前記駆動トランスデューサを振動させるように前記発振器を制御するために、前記フィードバックトランスデューサおよび前記発振器に接続された制御装置を備えている請求項９記載のセンサ。
【請求項１１】
センサが細長い振動素子を備えており、この振動素子が片持ち梁として取付けノードで支持され、自由端上に感応性電極を有し、前記振動素子は感応性電極と検出された電荷、電界または電位との間の容量性結合を変化させるように振動されるように構成されている静電電圧計のような静電検出器用のセンサを動作させる方法において、
（ａ）正味トルクが実質的に前記取付けノードに与えられず、その結果取付けノードの剛性の程度が梁の動作周波数または梁の自由端の変位に影響を及ぼさないように実質的に補償するトルクが前記素子の取付けノードにおいて生成されるように前記素子を片持ち梁の基本振動周波数より上の周波数で振動させるようにこの素子上のある位置に振動力を与え、
（ｂ）検出されている電荷、電界または電位に関する情報を含む電気信号を感応性電極から獲得するステップを含んでいる方法。
【請求項１２】
振動力は、梁の選択された振動モードに対して曲率が最大になる片持ち梁上の地点に与えられる請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
梁の選択された振動モードは第２のノードである請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
素子の振動周波数を感知し、
感知された振動周波数を使用して素子に与えられた振動力の周波数を制御するステップをさらに含んでいる請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
センサが細長い振動素子を備えており、この振動素子が片持ち梁として機械的取付けノードで支持され、自由端上に感応性電極を有し、前記振動素子は感応性電極と検出されている電荷、電界または電位との間の容量性結合を変化させるように振動される、静電電圧計のような静電検出器用のセンサを動作させる方法において、
（ａ）片持ち梁の第２の振動モードに対応した周波数でおよび前記素子の中央における第２の振動モードに対応したノードのピークに重なる位置においてこの素子に振動力を与え、
（ｂ）検出されている電荷、電界または電位に関する情報を含む電気信号を感応性電極から獲得し、
（ｃ）その結果として、片持ち梁と機械的取付けノードとの間に振動の隔離が行われる動作方法。
【請求項１６】
素子の振動周波数を感知し、
感知された振動周波数を使用して素子に与えられた振動力の周波数を制御するステップをさらに含んでいる請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気測定技術に関し、とくに、非接触静電界、静電電圧または静電電荷検出装置として使用される新しい改善されたセンサまたはプローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触静電検出器は、測定または監視されている表面、回路または装置との物理的コンタクトを通って測定装置に移送された電荷がそのデータを変更するか、あるいは破壊するような応用で使用される。このような測定には、たとえば、コピー機において使用される光導電体の電圧レベルまたは別の電子写真プロセスの監視、繊維またはプラスチックフィルム製造プロセスにおいて使用されるような誘電体ウェブプロセスライン上での静電荷増加（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）の監視、あるいは電荷累積が静電放電（アーク発生）によって製品汚染または破壊の原因をつくる半導体付近のエリアの製造／処理プロセスの監視が含まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これまで、高い正確度および高速度ならびに低い雑音測定を達成すると共にサイズが物理的に小さくなるために必要とされるタイプの静電センサ／プローブは、価格が高過ぎて製造できないために、高生産量・低コスト（ｈｉｇｈｅｒ  ｑｕａｎｔｉｔｙ  ｌｏｗｅｒ  ｃｏｓｔ）プロセスでそれらを使用することができておらず、および、またはローエンドレーザプリンタ、コピー機または多地点静電荷増加監視システムのような装置は実現されていない。
【０００４】
したがって、本発明の主要な目的は、上述の要求を満足すると共に、その製造価格が廉価である静電測定用の新しい改善されたセンサ／プローブを提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、センサ／プローブの質量とセンサ／プローブをテストされている表面または領域に関するその測定位置に位置させるために使用された固定／保持構造の質量の両者から独立した電気性能を有するセンサ／プローブを提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、雑音およびオフセット信号の生成を最小にするか、あるいはさらに容易に除去し、それによってセンサ／プローブ増幅器回路の電気素子とセンサ／プローブハウジング素子との間に比較的広い空間を提供しなくてもよいようにし、したがって汚染がセンサ／プローブ構造の内部に侵入する可能性を減少させるセンサ／プローブを提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、種々の空間的分解能特性を提供するように容易に構成されることのできるセンサ／プローブを提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、急速に変化する静電的パラメータを正確に測定するように実質的に増加された電気的応答速度を有するセンサ／プローブを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、サイズが小さく、構成が簡単であり、経済的に製造され、動作の信頼性の高いセンサ／プローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、機械的ノードにおいて片持ち梁方式で一方の端部が支持された細長い振動素子と、この振動素子上の他方の端部付近に位置し、電荷、電界または電位が測定されるように配置された感応性電極と、この電極と測定された電界または電位との間の容量性結合を変化させる方向に素子を振動させる振動素子上の駆動手段とを備えた静電検出器用のセンサを提供する。この駆動手段は梁に沿ったある位置に配置され、その梁に沿って仮想の機械的ノードが現れるような振動周波数で動作される。したがって、これにより機械的取付けノードにおける振動が減少するため、機械的ノードの剛性の程度は動作周波数および、または片持ち梁の自由端の変位に影響を与えない。梁の振動振幅の変化およびしたがってその梁の端部における検出器の運動振幅の変化は、センサ／プローブの質量および、または、センサ／プローブをテストされている表面または領域に関してその測定位置に位置させるために使用された固定／保持具のような構造の質量の両者から独立したものにされる。したがって、電気性能は安定化され、使用される特定の固定／保持構造から独立したものにされる。振動素子上の増幅器は、感応性電極に接続された入力と、静電電圧計のような読出し／測定装置に接続するように構成された出力とを備えている。本発明の好ましい実施形態によると、振動周波数は梁の第２の振動ノードに対応し、駆動手段は、梁の中央付近における梁の振動ピークに重なるようにこの梁上に配置される。
【００１１】
本発明の上記および付加的な利点ならびに特徴は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
はじめに図１を参照とすると、従来技術のセンサが符号10で全体的に示されており、単一の片持ち梁の形態の振動素子40は、一方の端部が取付けまたは一体化によってベースプレート14に接続され、一方自由端が増幅器90および感応性電極50に取付け表面を提供している。従来技術のセンサ10のさらに詳細な説明については、米国特許第 4,763,078号明細書（1988年8月9日出願“Sensor For Electrostatic Voltmeter”）を参照とすることができ、その開示はこの明細書において参考文献とされている。
【００１３】
通常知られているように、振動中の単一の片持ち梁は、機械的ノード構造あるいは図１のセンサの場合ではベースプレート構造への取付けまたは接続点において平衡でない機械的トルクを生成する。これは音叉のような二重片持ち梁構造とは対照的であり、音叉ではその各叉の運動により生成された機械的な力が等しくされることができ、したがって逆に音叉の共通接続部（支点）では正味機械的トルクを生成しない。それ故、音叉は支点に存在する質量（または取付け剛性）の関数として安定した振幅および周波数で動作し、一方図１に示されているタイプの単一の片持ち梁は、ベースプレート取付け点における機械的質量または機械的剛性が変化するので、振動の周波数および振幅において不安定である。この不安定の影響はとくに、センサ／プローブのサイズおよび、または重量を減少しようと努力してベースプレート構造の物理的なサイズの減少を試みるときに面倒なものとなる。
【００１４】
とくに、プローブのサイズが、米国特許第 4,763,078号明細書に図示および説明されているサイズから大幅に減少されると、片持ち梁の自由端の振動の振幅は不安定なものになると共に、テストされている表面／領域に関してセンサ／プローブを位置させるために使用された取付け具に依存したものとなる可能性が高い。さらに、センサ／プローブ構造および取付け具を片持ち梁の機械的振動系に関与させる単一の片持ち梁の平衡でない性質のために、望ましくない可聴振動が生成され、センサ／プローブ構造の外部に放出されてうるさい可聴雑音を発生させる。これらの機械的に望ましくない影響は、単一の片持ち梁の代りに本質的に平衡にされた音叉を使用することにより除去可能である。しかしながら、二重片持ち梁、すなわち音叉を使用したときの製造費用は、廉価な化学的切削加工等によって音叉をベースプレート14の一体化された部品として容易に製造することができないために非常に高価なものとなる。
【００１５】
図２のＡは、米国特許第 4,763,078号明細書に記載されている図１の装置の単一の片持ち梁の動作を示している。示されているように、片持ち梁40Aは、その一端が機械的ノード（Ｎ）で支持され、その他端は自由に振動することができる。図２のＡは、付勢されていない、あるいは静止位置の片持ち梁40Aを示している。梁から取付けノード（Ｎ）まで描かれているライン70は、この静止ポジションを規定している。駆動およびフィードバック圧電セラミックチップ（示されていない）を含む発振回路にパワーを与えたとき、片持ち梁40Aはその基本共振周波数（米国特許第 4,763,078号明細書の例示的な装置内に示されているディメンションに対してほぼ７００ｈｚ）またはその付近で振動させられる。
【００１６】
図２のＢは、梁40Bの自由端において振動運動ΔＬを生じさせるようにこの梁40Bより引起される機械的な運動の限界を示している。片持ち梁の運動により機械的取付けノードＮ上で生じたトルクは、たとえば、図３に示されている音叉システム74等により生成される大きさが同じで方向が逆のトルクによって補償されないことを認識しなければならない。図３では、トルクＴ２はトルクＴ３により正確に補償されている。一般的に知られているように、Ｔ３に関連した叉76は常にＴ２に関連した叉78に対して１８０°位相関係で運動しているため、トルクＴ３はＴ２と大きさが同じであるが方向は逆である。このように、ノードＮ１は大きさが同じで方向が逆のトルクを受けるので、正味のトルクを生成しない。
【００１７】
単一の片持ち梁の動作が補償されず、ノード（Ｎ）が堅牢でなく、したがって機械的に“剛性”でない図２のシステムの場合、ノード（Ｎ）は振動され、動作周波数および片持ち梁の自由端における運動ΔＬに関してその片持ち梁の運動を表す機械的方程式に関連したものとなるであろう。ノード（Ｎ）の剛性の程度もまたセンサ／プローブ保持具の質量に依存しているので、自由端の振動の振幅およびしたがって電極50もまた取付け具の剛性に依存し、したがってセンサ／プローブが配置された特定の適用に依存することになる。とくに、センサ／プローブ構造のサイズおよび、または重量の減少を試みた結果、ノード（Ｎ）の堅牢度が低下し、あるいはその剛性が小さくなったとき、電極50の振幅の不安定さはセンサ／プローブにより感知される静電気量の正確さおよび安定性に悪影響を及ぼす。
【００１８】
上記は、薄型の片持ちにされた梁の力学を考慮することによってさらに例証される。振動している梁はディスクリートな共振モードのセットを示し、その形状および周波数は与えられる限界条件の特性に依存する。図４のＡ、ＢおよびＣにおいて、曲線80、82および84は、固定された一方の端部と自由端である他方の端部とを有する片持ちにされた梁に対する第１の３つの振動モード（それぞれｎ＝１，２，３）の形状を示している。この明細書に記載されているタイプの装置では実際に重要なモードはおそらく第１のいくつかのモードだけであるが、これらのモードの数は無限である。ｎ＝１モードは見掛け上は端部に正規の負荷を与えられた梁の静的変位に非常によく類似している。ｎ＝２モードは単一の反曲点およびゼロ交差点を有し、ｎ＝３モードは２つの反曲点およびゼロ交差点を有している。
【００１９】
モードの共振周波数は互いに関して予め規定された比率を有している。この比率は、固定端にゼロ運動およびゼロ傾斜を与える理想的な固定具を有する梁に対して次のとおりである：
ｆ1：ｆ2：ｆ3：…＝１  ：  ６．２  ：  １７．５  ：…
したがって、第１の共振がｆ1＝４００Ｈｚである場合、ｆ2＝２．４８ｋＨｚ、ｆ3＝７．０ｋＨｚ等となる。金属製の梁では、機械的損失が低いため、モードの品質係数は高い、すなわち、Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3＞５０である。それ故、共振は十分に分離されているとみなすことができる。
【００２０】
実用的な、すなわち、図１に示されているタイプの製造可能なプローブでは理想的な固定に近づくことは不可能であるが、それはまた必要ない。図１に示されている設計に対する共振モードは、図４のＡ、ＢおよびＣに示されている“理想的に固定された”ケースのものに非常に類似した形状を有することが判明している。しかしながら、共振周波数の比率はいくぶん変更される：
ｆ1：ｆ2：ｆ3：…＝１  ：  〜８  ：  〜２２  ：…
別の観察によると、その一部がハウジングにしっかりと溶接されている限り、これらの十分に分離された共振の振動損失は低いままであり、すなわち、Ｑ＞５０である。
【００２１】
モードに対する異なる形状は、圧電アクチュエータを適切に配置することにより所定のモードが選択的におよび最適に励起されることが可能でなければならないことを示唆している。同様に、圧電素子の位置は、達成可能な最大感度で所定のモードの存在を検出するために最適化されてもよい。圧電トランスデューサは交流励起を機械的変形に変換する。これらの素子の１つが梁に対して堅牢に取付けられたとき、梁の表面に沿ってその素子の横ディメンションに電圧誘導された電荷は、梁を偏向させる剪断力（ｓｈｅａｒ）を誘導する。したがって、本発明において決定されるように、任意のモードを励起する（および感知する）最良の位置は、偏向された梁の曲率が最大になる地点である。最適なトランスデューサ位置に関するこの簡単な仮説がｎ＝１、２および３のモードの片持ち梁に対して実験的に確認された。
【００２２】
図５は本発明のセンサの片持ち梁100の動作を示している。示されているように、片持ち梁100は符号102としても示されている機械的ノード（Ｎ３）で支持され、一方他端104は自由に振動することができる。発振回路ならびに駆動およびフィードバック圧電セラミックチップ106および108の片持ち梁100に沿った配置は、以下に説明するように、米国特許第 4,763,078号明細書に記載されているセンサ内における発振器およびチップ配置とは異なっている。本発明の例示的な実施形態では、パワーが発振回路および圧電チップ106、108に与えられたとき、片持ち梁100は、（ＮＳ）とラベル付けされていると同時に符号110でも示されている仮想の機械的ノードが片持ち梁に沿って出現する周波数で振動する。片持ち梁100をその基本周波数より上の周波数で動作させたときに仮想の機械的ノード（ＮＳ）が出現するために、正味のトルクは実質的にはノード（Ｎ３）で与えられないように、実質的に補償するトルクが機械的取付けノード（Ｎ３）で生成されることができる。
【００２３】
図５に示されているように、片持ち梁100の振動は実線および破線で描かれた位置によって示された振動の限界により規定され、この梁の端部104でΔＬＢの振動を生じさせる。仮想のノード（ＮＳ）は発振器の振動サイクルにわたって静止したままなので、ノード（Ｎ３）と（ＮＳ）との間の梁の部分は、ノード（ＮＳ）と梁の自由端104との間の梁のセクションとは逆の方向に常に動いている。実質的に補償するトルクの生成は図５において図解により示されている。図５では、ノードＮ３からの距離Ｄ４において与えられた力Ｆ４により生成されたトルクＴ４は、ノードＮ３からの距離Ｄ５において与えられた力Ｆ５により生成されたトルクＴ５によって実質的に補償される。距離Ｄ４はノードＮ３から梁100の質量中心までの距離として測定され、距離Ｄ５はＮ３からノード（ＮＳ）と端部104との間に位置するその反射された質量中心までの距離として測定される。
【００２４】
実質的に補償するトルクＴ５が生成されたとき、正味のトルクはノードＮ３には実質的に与えられない。ノードＮ３に対して正味のトルクが実質的に与えられないことにより、ノードＮ３は振動されることができず、したがってその剛性の程度は梁100の動作周波数および、または片持ち梁100の端部104における変位ΔＬＢに対してそれ程重大な影響を与えない。したがって、片持ち梁がこれに沿った適切な位置において仮想の機械的ノード、または多数の仮想の機械的ノードを生じさせる周波数で動作されたときには、単一の片持ち梁100は音叉のように、その取付けノードがあたかもトルク補償されているかのように動作させられることができる。その取付けノードトルクが実質的に補償されることにより、振動振幅ΔＬＢのバリエーション、およびしたがって梁の端部における検出器の運動振幅は、センサ／プローブの質量および、または、センサ／プローブをテストされている表面または領域に関するその測定位置に位置させるために使用された固定／保持具の質量の両者から独立したものにされる。したがって、電気性能は安定化され、本発明の目的である使用される特定の固定／保持装置とは無関係なものにされる。
【００２５】
片持ち梁100の中央付近の頂点を覆うように駆動トランスデューサ106が配置されたこの梁の第２（ｎ＝２）の振動モードの適用を考慮すると、この梁100の機械的応答特性は最大化されるであろう。これは、偏向されたときに、その曲率がこの地点において最大になるためである。フィードバック圧電トランスデューサ108は運動を感知すると共にフィードバックループを閉じる信号を供給するために使用され、また、それはクランプ112に十分に近接して配置される。この素子は、曲率が大きい別の位置に配置されているため、完全に適した信号を感知することが認められる。非接触ＥＳＶ計器の中心部である容量性電極114は、運動の振幅が最大となる梁100の端部104に非常に近接して取り付けられる。
【００２６】
片持ちにされた梁において高次のモードを使用することにより、梁とその取付け部との間の振動隔離に関する深刻な問題が改善される。この改善がどのようにして行われるかを理解するために、図４のＡおよびＢにおける第１および第２のモードの振動モードの形状が比較されることができる。ｎ＝１のモードに対して、梁は各サイクルの１／２を平衡位置の完全に上方で費やし、このポジションの完全に下方で別の半分を費やす。その結果、最大のトルクが梁によってハウジングに伝達される。それを阻止する程十分に重く堅牢であることのできる実際のハウジングまたはマウントは存在しないので、このトルクは常にマウントおよびプローブが取付けられている別のコンポーネントの共鳴振動となる。他方において、ｎ＝２のモードについては、偏向により常に平衡位置が２等分され、それによって梁の外側と内側との間のバランスがある程度保たれる。自己平衡の程度は、モードの数ｎが増加するにしたがって増加する。別の実際的な限界ファクタのために、第２（ｎ＝２）のモードを越えるモードが利用可能か否かはまだ明らかにされていない。それでもやはり、振動隔離の観点からすると、モードは高いほうがよい。
【００２７】
高次のモードを使用する別の利点は、プローブに対する高い動作周波数が支援電子装置の頑強性を改善し、ゼログラフィックコピー機／プリンタのようなクリティカルな適用において静電表面電位を測定するためにプローブが使用されたときに達成可能なサンプリングレートを増加させることである。この後者の特徴は、最近出現した新しいクラスの低コストのカラーコピー／プリンタ（３原色＋黒色）に対しておそらく非常に重要なゼログラフィックプロセス可制御性を著しく向上させるであろう。現在の白黒のコピー速度がカラーマシンの高い速度に近付くこと、および光受容器電荷の改善された空間分解能が重要であろう。改善された空間分解能はさらに制限的な表示（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）の達成にきわめて重要である。
【００２８】
この改善を示すために以下の例を考慮する。非接触静電電圧計（ＥＳＶ）内における１ｃｍの片持ち梁の第２のモードは、動作周波数を約４００Ｈｚから約２４００Ｈｚにシフトさせる。この６倍の増加によって実効ＥＳＶ帯域幅が著しく改善される。別の利点は、第２のモードの機械的損失が第１のものより小さいこと、すなわち、Ｑ2＞Ｑ1である。第２のモードの高いＱは２つの点で有益である。第１に、所定の交流励起を強い振動運動に変換する圧電駆動トランスデューサの電気・機械効率を改善する。第２に、高いＱにより、感応性圧電素子の出力からの雑音信号の濾波が改善されることによってフィードバック制御回路の頑強性が改善される。
【００２９】
図６を考慮することにより、上記をさらに例証する。この図６は、本発明による静電電圧計の片持ち梁に対する第１および第２のモードを示している。梁100’は駆動およびフィードバック圧電トランスデューサ106’および108’と、容量性センサ114’とを備えている。図６はまた、第１（ｎ＝１）および第２（ｎ＝２）のモードに対する変位プロフィール120および122を示している。オイラー‐ベルヌーイ連続体梁モデルから、第１のモードの固有周波数に対する簡単な式が得られる：
【数１】
2005501260.tif 000003
【００３０】
ここで、Ｌおよびｔは梁の長さおよび幅であり、Ｅおよびρはそれぞれその材料のヤング率および質量密度である。
【００３１】
典型的なＥＳＶプローブディメンションに対して、ｎ＝１モードはカラーコピー機に対して十分なサンプリング帯域幅を提供するために必要とされる値の半分に関して達成可能な共振周波数を提供する。さらに、組立てられたＥＳＶプローブ装置の共振ピークは、コピー機内に取付ける方法に対する許容不能なほど高い感度を示す。上記の方程式は、ひとたび梁の材料が選択されると、長さＬまたは厚さｔを変化させることでしか共振周波数が変化されることができないことを示している。このやり方では、周波数を増加することにより振幅を減少し、それによってプローブの電圧検出感度を低下させる。
【００３２】
第１のモードの代りに第２（ｎ＝２）のモードを利用することにより、これらの両問題は、梁またはハウジングの最小の再設計により軽減される。図６に示されている第２のモードの共振周波数は次のように表される：
【数２】
2005501260.tif 000004
【００３３】
両方の式から、ｆ2／ｆ1＝６．３ということになり、それによって第１の問題を解決する。さらに、ｎ＝２の共振ピークの取付けに対する感度はｎ＝１のモードよりはるかに低いことが実験的に判明し、これは、第２のモードの運動が自己平衡を行う傾向があることによると推測できる。比較すると、第１の共振の振動はある取付け構造に対してはほとんど消滅し、一方第２の共振の振幅は１０％乃至３０％しか低下しない。ｎ＝２のモードの効率的な励起および検出には、圧電トランスデューサ素子を湾曲が最大になる付近に配置する必要があることを認識することは非常に重要である。図６は、駆動素子106’および運動感知素子108’の最適化された配置を示している。同様に、容量性（ＥＳＶ）電極114’は、梁の自由端部の近くか、あるいは固定端部に近い局部的最大変位の位置に配置されなければならない。
【００３４】
増幅器130は梁100上に設けられ、上記において参考文献とされた米国特許第 4,763,078号明細書において開示されている増幅器100のものに類似した方式で機能する。図７には、図５および６のセンサを動作させる回路140が示されている。この回路140は増幅器130に接続され、増幅器に動作電圧を供給すると共に増幅器130から受取られた信号を予め処理し、このような信号を既知のやり方で静電電圧計の信号処理／監視部分に送る部分142を有している。回路140はまた、梁を振動させるために駆動トランスデューサ106を動作させる駆動信号を供給する駆動または発振器部分144を有している。フィードバックトランスデューサ108は回路の部分144の制御に関連して接続されている。梁100の振動の周波数は、トランスデューサ108によって感知され、それを表す信号は、それによって発生された駆動信号の周波数を制御し、およびしたがって梁100の振動周波数を制御するために回路の部分144により使用される。振動している梁100は回路の共振素子として動作する。種々の電気接続が米国特許第 4,763,078号明細書に開示されているものに類似した方式で形成されることができる。
【００３５】
図５において符号110で示されている仮想上のノードＮＳを生成するような動作の適当な周波数を得るために、発振回路144は圧電セラミックチップ106、108と共に、仮想上のノードが現れる機械的振動と同期した特定の周波数に電気振動を維持する閉ループ周波数選択性の正のフィードバックシステムとして動作する。この周波数は、ほぼ６倍の単一の片持ち梁100の基本的な機械振動周波数となる。したがって、米国特許第 4,763,078号明細書に示されているディメンション片持ち梁は、基本的なノードにおいて動作しているときのほぼ７００Ｈｚではなく、本発明の原理にしたがって動作されたときには、ほぼ４キロヘルツの周波数で動作する。この結果、検出器はその４キロヘルツの周波数で動作することになるため、この検出器が測定中の静電データを感知してこれに追従することのできる速度が増加し、したがって本発明の別の目的が達成される。
【００３６】
本発明のセンサは、以下のように動作する。センサハウジングは、測定されるべき静電界または電位を帯びたある表面、すなわち、テスト表面に電極114が対向した状態で位置されている。電極の感知表面がテスト表面に対して露出されていることにより、この電極114とテスト表面との間に容量性結合が生じる。発振器144は交流電圧を圧電素子106に供給し、それによってこの圧電素子106は梁100が延在するプレートの平面にほぼ垂直な方向に、発振器の出力周波数に実質的に等しい周波数で振動する。片持ち梁100は、圧電素子106の振動を電極114に伝送する。この電極114は、その平面に対してほぼ垂直な方向において、上述したように発振器の出力周波数と素子100の機械的特性とにより決定される周波数で振動させられる。電極114が振動させられると、それはテスト表面の方向に、およびそこから離れるように動き、それによって感知表面とテスト表面との間の容量性結合を変化させる。
【００３７】
素子100が振動すると、その運動はこの素子100に取付けられた圧電素子108中に電圧を生じさせ、それは回路140に電気的にフィードバックされ、フィードバックループが完成して振動が持続される。とくに、実際の振動を表すフィードバックされた信号は、たとえば、発振器の出力を制御する等のために所望の振動を表す基準信号と比較される。これは、当業者に容易に明らかである方法で行われるため、これ以上詳細に説明する必要はないと考えられる。
【００３８】
検出器電極114の電位はシステムフィードバック電位であるが、それがテスト表面上の電位と異なっている場合、電極114の表面上で交流信号が誘導される。この誘導された交流信号は、前置増幅器130の入力に供給される。発振器から得られた駆動信号に対するこの誘導された信号の振幅および位相は、２つの表面間の電位の差の大きさおよび極性にそれぞれ依存する。増幅器130の出力は、静電電圧計に供給され、その後復調装置（示されていない）の入力に供給される。同期的な復調装置は発振器から得られた駆動信号を基準位相として使用して、誘導された交流信号から振幅および位相情報を除去するように機能する。ライン周波数により導出された発振器信号を使用することにより、周囲の誘導された信号は出器電極114において変調されても、復調プロセス後は雑音として現れることができないことを確実にすることができる。復調された信号は直流電圧であり、その後高利得増幅器において増幅されることができ、その増幅器の出力は、テスト表面の電位の継続的な表示および監視用のメーターのような適切な装置の入力に供給される。
【００３９】
このように、本発明はその意図された目的を達成することが明らかである。本発明によるセンサは、片持ち梁の高次の共振振動モードの１つを使用する。廉価に製造される非接触ＥＳＶ計器用の新しいクラスの高性能プローブの設計においてｎ＝２のモードおよびおそらくそれより高いモードを含むこれらのモードが使用可能であることが示されている。改善された性能は、高次のモードが第１（ｎ＝１）のモードより６倍（またはそれ以上）高いファクタである周波数で共振することから得られる。振動素子ＥＶＳに対する動作の高い周波数のいくつかの利点は、これまで一度も本気で達成可能であるとみなされたことがなかった。高次の共振で駆動された片持ち梁は、明らかに、高い周波数を実際に利用できるものにすることができる。
【００４０】
本発明の実施形態が詳細に説明されているが、それは単なる例示に過ぎず、何等本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】部品が取外された状態の従来技術のセンサの斜視図。
【図２】図１のセンサにおける片持ち梁の動作を示す概略図。
【図３】センサにおいて使用される音叉システムの概略図。
【図４】図２に示されているタイプの片持ち梁の振動モードを示すグラフ。
【図５】本発明による片持ち梁を使用したセンサの概略図。
【図６】本発明のさらに説明のための概略図。
【図７】本発明のセンサにより使用される回路の概略ブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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