(57)【要約】変位を差動電圧へ変換するデバイスと共に接続するための技法であって、かかるデバイスの感度を改善する。開示するシステムは、回路の特定の部分をデジタル回路へ転換することによってＬＶＤＴ等の変換器の精度および分解能を改善する。一つの実施の形態はプロセッサを使用するが、他のデジタル演算処理回路が使用されてもよい。
2005527817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムであって、
周期位相反転に基づき動作する変換器と、
格納されるプログラムに従って動作するプログラム可能プロセッサとを備え、前記格納プログラムは、前記変換器を駆動する格納命令に基づいて第１の波形を前記プロセッサに生成させる、システム。
【請求項２】
前記第１の波形は、矩形波の立ち上がりを生成するための第１の命令と、矩形波の立ち下がりを生成するための第２の命令とによって生成される矩形波である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プロセッサはまた、前記第１の波形と特定の位相関係を有するタイミングで、変換器の出力を選択的に反転する反転波形を生成するようプログラム可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
更に、前記変換器の出力を受け取るよう接続されるアナログスイッチを備え、前記反転波形が、前記アナログスイッチを制御する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
更に、前記差動増幅器の第１の不反転出力および前記差動増幅器の第２の反転出力を定義する信号、ならびに前記反転出力および前記不反転出力をそれぞれ受け取る２つの入力を有するアナログスイッチを備え、前記反転波形が前記アナログスイッチを制御する、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記プロセッサは、また、前記変換器の出力を受け取り、特定のタイミングで前記変換器の前記出力を前記プロセッサに選択的に反転させるプログラムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記特定のタイミングは、前記第１の波形に対してシフトした特定の位相時点である、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
更に、前記変換器の出力を受け取り、前記変換器の出力を表すデジタル出力を生成するよう接続される、Ａ／Ｄコンバータを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記プロセッサは、前記変換器の前記出力を表す前記デジタル出力を受け取り、前記格納プログラムは、また、前記第１の波形に対する特定のタイミングで前記デジタル出力内のビットのセンスを選択的に反転することに効力のある、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の波形は矩形波であり、更に、前記第１の波形を生成するよう前記矩形波の基本周波数を除く全てをフィルタリングする低域通過フィルタを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記変換器は、線形可変差動変圧器である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
更に、前記線形可変差動変圧器へ接続されるカンチレバー素子であって、前記線形可変差動変圧器が前記カンチレバーの移動によって移動されるような、カンチレバー素子を備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記変換器は、一次部と２つの二次部との間のインダクタンスの変化を利用する変換器である、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記変換器は、１ｎｍ未満である移動を解析する能力のある変換器である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
変換器システムであって：
一次部と差動信号を生成する二次部との間のインダクタンスの変化に基づき動作する変換器入力部分と； 
前記変換器入力を駆動するための第１の位相反転信号を生成するとともに、前記第１の位相反転信号と特定の位相関係を有する特定のタイミングで前記変換器の出力を選択的に反転する反転動作を生成する単一の構成体と；を備える、システム。
【請求項１６】
前記単一構成体は、プロセッサで形成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記単一構成体は、格納された命令に従って動作するプログラム式プロセッサで形成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサは、前記位相反転信号として矩形波出力を生成し、更に、実質的に単一周波数の信号を生成するよう前記矩形波出力をフィルタリングするフィルタを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
更に、前記実質的に単一周波数の信号と前記変換器への入力との間に電流バッファを備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
更に、前記変換器の出力へ接続される反転構成体を備え、前記反転動作は、前記変換器の出力または前記反転構成体の出力のいずれかへ接続されるべき出力を制御するステップを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
更に、アナログスイッチを備え、前記反転動作は、前記アナログスイッチを制御する波形を備える、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記アナログスイッチを制御する前記波形は、前記第１の位相反転信号と特定の位相関係を有する矩形波である、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記特定の位相関係は、実質的に９０度位相がずれている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記反転動作は、前記変換器の前記出力の特定部分のデジタル反転を備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２５】
更に、前記変換器の前記出力を表すデジタルビットストリームを作成し、前記デジタルビットストリームを前記プロセッサへ供給するＡ／Ｄコンバータを備え、前記プロセッサは、前記特定の位相関係で前記ビットストリームのセンスを選択的に反転する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２６】
前記特定の位相関係は、実質的に９０度位相がずれている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
更に、前記変換器入力部分を含む線形可変差動変圧器を備える、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２８】
方法であって、
デジタル制御可能なプロセッサを使用して差動変換器のための位相反転信号を生成するステップと； 
やはり前記デジタル制御可能なプロセッサを使用して前記差動変換器の出力の選択されたセンス反転を生成するステップと；を含む、方法。
【請求項２９】
前記位相反転信号を生成するステップは、前記プロセッサを使用して矩形波を生成するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
更に、実質的に純粋な正弦波を生成するよう前記矩形波をフィルタリングするステップと、前記実質的に純粋な正弦波を使用して前記差動変換器入力を駆動するステップを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記デジタルで制御可能なプロセッサを使用して前記選択されたセンス反転を作成するステップは、前記位相反転信号と特定の位相関係を有する出力信号を生成するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記特定の位相関係は、実質的に９０度である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記デジタルで制御可能なプロセッサを使用して前記選択されたセンス反転を作成する前記ステップは、前記差動変換器の前記出力の特定部分をデジタルで反転するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
更に、前記差動変換器の前記出力をアナログからデジタルへ変換するステップと、前記差動変換器の前記出力の前記デジタル版を前記デジタル制御可能なプロセッサへ印加するステップを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
更に、前記デジタル制御可能なプロセッサを使用するステップが前記デジタル信号のセンスを選択的に反転するよう動作可能である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記デジタル制御可能なプロセッサを使用してセンスを選択的に反転する前記ステップは、前記位相反転信号と特定の位相関係を有する特定の位相関係で動作するステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
更に、前記差動変換器を使用して動きを電圧へ変換するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記動きは、少なくとも１ｎｍの分解能へ分解できる、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記動きは、表面の特性を測定するカンチレバーの動きである、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記動きは、原子間力顕微鏡の一部である、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
方法であって、
単一のプロセッサを使用して、差動変換器のための入力位相反転信号を生成するとともに前記同じ差動変換器のための出力位相反転動作を生成するステップ；を含む、方法。
【請求項４２】
前記出力位相反転ステップは、前記位相反転を駆動する信号を作成するステップを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記出力位相反転ステップは、前記差動変換器からの出力信号のセンスを選択的に反転するステップを含む、請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００２年５月２４日出願の米国仮特許出願第６０／３８３，３８４号の優先権を主張する。
【０００２】
発明の背景
線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）は、機械的変位を差動電圧へ変換できる位置センサである。ＬＶＤＴは、従来、別の部分によって作成された磁界内を移動する可動部を使用する。素子の位置が相互に対して変化すると、出力が生成される。
【０００３】
ＬＶＤＴの１つの種類は、出願人の同時係属特許出願第１０／０１６４７５号で、発明の名称「高度位置測定用の改良型線形可変差動変圧器」に記載されている。しかし、本システムは、差動的に動作する任意の形式の変換器、例えば任意のＬＶＤＴまたはその他の任意の差動変換器も使用できる。
【０００４】
信号を処理することに使用する電子機器の精度は、ＬＶＤＴから受け取る出力の値に大いに影響を及ぼし得る。電子機器がより正確であれば、出力値の分解能および精度を改善する。
【０００５】
発明の概要
本システムは、差動変換器、および差動変換器における励振および信号調整のために使用できる改良型電子機器を教示する。実施の形態では、差動変換器は、対象によって作成される移動を測定するＬＶＤＴである。
【０００６】
本明細書で説明するシステムは、励振および信号調整の電子機器としてのデジタル電子機器、および本明細書で開示する形式の変換器を使用することができる。
【０００７】
特定の実施の形態では、変換器は、周期的に位相を反転する位相シフト回路と、位相の変化と同期して差動出力を切換えるスイッチ素子とによって駆動される。位相シフト回路およびスイッチ素子の両方は、デジタル演算処理素子、例えばプロセッサによって形成される。別の実施の形態では、デジタル矩形波発振器がマイクロプロセッサによって形成され、それは変換器のための一次部波形および基準波形をデジタルに生成する。これは、変換器の自由度と感度を大幅に増大することができる。
【０００８】
詳細な説明
図１は一実施の形態を示す。差動変換器、ここではＬＶＤＴが、直線方向の移動量に対する大きさを有する出力信号を生成する。変換器は、可動一次部と２つの二次部との間のインダクタンスの、これらの間の位置の関数として変化する変化を活用するよう形成される。このデバイスの出力は、可動一次コイル１５の位置に比例する信号である。このＬＶＤＴは、動きを電圧へ（または電圧を動きへ）変換するために使用されてもよく、従って多くの様々な用途に使用されてもよい。しかし、変換器は、高精度用途に使用されるのが好ましい。例えばこれは、正確な力測定を行うこと、例えば、鋭い先端を持つ可撓性カンチレバーのたわみを先端が表面上で押しまたは引く際に測定することによって、測定を行うことに使用されてもよい。変換器は、例えば、シリコンカンチレバー等のカンチレバーを使用して、この場合もやはり、力測定を行うことに使用されてもよい。システムは、また、表面形状測定のために使用されてもよく、この場合、可動の針へ取付けられる鋭い先端が宝石の回りに枢動する。別の用途では、システムが、センサおよびその他の両方でプロフィルメータの一部として使用されてもよい。さらに別の用途は、出願人の同時係属特許出願または米国特許第ＲＥ３４，４８９号に記載のような原子間力顕微鏡の一部としてでもよい。システムは、また、分子力プローブの一部として使用されてもよい。このシステムは、非常に小さい、例えばナノメートル未満レベル（＜１ｎｍ）程度に小さい機械的変位をこれらの差動電圧へ変換するデバイスのために理想的であり得る。実施の形態は、線形可変差動変圧器つまりＬＶＤＴを説明するとはいえ、このシステムは、静電容量に基づくセンサと共に使用されてもよい。上で説明した用途に加え、このシステムは、また、分子力測定、操作技術、リソグラフィック製造、ナノメートルスケールの表面形状測定、およびナノ技術の多くの様々な局面に使用されてもよい。
【０００９】
図１の実施の形態では、デジタルで制御されるマイクロプロセッサ８０が、変換器において周期的な位相反転を制御する格納された命令に基づいて矩形波出力８１を生成する。命令は、メモリに格納されてもよいし、または、プロセッサ自体に埋め込まれてもよい。矩形波出力は、正弦波２３を生成するためにフィルタ２４によってフィルタリングされる。フィルタ２４は、矩形波の基本波より上の全ての高調波を効果的に除去する低域通過フィルタであってもよい。その上、フィルタは、温度変動に対して安定であるように最適化される。これ故に、生成される正弦波は、実質的に純粋であり得る。正弦波２３は、電流バッファ２５によって増幅および／またはバッファされて正弦波７７を生成する。出力された正弦波７７は、変換器の一次部１５へ印加される。
【００１０】
一次部へ印加される正弦波７７は、実質的に完全な周波数と振幅であり、事実上無ノイズである。駆動におけるノイズまたは周波数または振幅の不安定性は復調された出力信号に現れるので、どんな欠陥も非常に重要であり得る。図１に示す実施の形態では、一次部が二次部に対して移動するが、しかし、一次部が固定であり、二次部が代りに移動できることは言うまでもない。
【００１１】
一次部の移動は、二次部３、４への電流を誘導し、それは差動増幅器６によって増幅され、出力される。差動増幅器は、コイル等の低インピーダンス入力源へ接続されるように成される低ノイズまたは差動増幅器であってよい。
【００１２】
差動増幅器の出力は、バッファ増幅器３１および反転バッファ増幅器３２へ接続される。アナログスイッチ３３が、バッファ増幅器３１または３２からのそれぞれの２つの出力の１つを選択する。アナログスイッチは、ＬＶＤＴの１次部へ入力された駆動と位相をずらして制御される。このようにして、出力信号は、一次部入力の位相反転と同期して選択される。
【００１３】
バッファ増幅器３１の出力は、アナログスイッチ３３の平常時閉入力へ供給される。反転バッファ増幅器３２の出力は、スイッチ３３の平常時開入力へ接続される。アナログスイッチは、これもマイクロプロセッサ８０によって生成される矩形波であってもよい反転波形によって制御される。この矩形波は、マイクロプロセッサ８０の適切なプログラミングによって位相反転矩形波８１に対して所望量だけシフトされてもよい。その上、素子３１および３２および３３の編成は、このスイッチの２つの部分が、一方が開である間に他方が閉であるように設定される限り、逆転されてもよい。
【００１４】
一次部１５を駆動する矩形波、および、また、アナログスイッチ３３を駆動する矩形波の両方は、プロセッサによって制御される。このようにして、システムは、単一のマイクロプロセッサを使用して、差動変換器のための入力位相反転信号を生成し、そして、また、同じ差動変換器のための出力位相反転動作を生成する。２つの矩形波は、相互に対してシフトでき、アナログスイッチを駆動する出力矩形波８２は、一次部矩形波８１に対してシフトでき、またはその逆も同様である。重要なことは、基準である一次部駆動の相対的位相は、相互に対して調節可能なことである。
【００１５】
本システムの重要な特長は、マイクロプロセッサが、実質的に純粋で正確にシフトした矩形波を生成する能力を有するという発明者の認知に基づいている。矩形波は、それらの位相以外の点では同一であってもよい。これは、開示したような電子機器の感度における自由度を大幅に増大させ得る。その上、これは、同じプロセッサが２つの異なる波形を作成するので、より少ない部品点数という結果になり得る。
【００１６】
一の実施の形態では、スイッチ３３の２つの部分の開閉は、増幅器６からの出力信号に対して９０度位相をずらして起こしてもよい。
【００１７】
アナログスイッチ３３の出力は、安定な低ノイズ低域通過フィルタ３４へ供給され、それは可動一次コイル１５の位置に比例する信号を生成する。
【００１８】
マイクロプロセッサ８０は、どのような種類のプロセッサでもよく、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、リコンフィギュアラブルロジック、または他の形式の制御可能な演算処理デバイスでもよい。プロセッサ８０は、図２のフローチャートに従って制御してもよい。
【００１９】
２００において、システムは第１の矩形波を作成するよう動作する。これは、２０５で出力ロジックレベルを低から高へ変更することによって行われる。このようにして、プロセッサは、矩形波の最初の部分を形成する出力遷移を生成する。プロセッサは、次いで待機し、その間に２０８においてパルスの継続期間が形成される。ロジックレベルは、この待機中では高いままである。２１０において、出力レベルを高から低へ変更することによって矩形波の終了の信号が出される。これにより、第１の矩形波の形成が完了する。
【００２０】
位相シフトΦの後に第２の矩形波が作成される。２１５でシステムは時間Φの間待機し、次いで、上で説明したものと同じ技法を使用して、もう１つの矩形波を作成するよう進行する。
【００２１】
第２の実施の形態を図３に示す。この実施の形態は、図１に示すシステムと類似した基本レイアウトを使用しているが、しかし、デジタル位相シフトを使用して動作する。
【００２２】
図３の実施の形態は、第１の実施の形態におけるように、プロセッサ８００を使用してデジタルで作成した矩形波を作成する。しかし、加えて、差動増幅器の出力はＡ／Ｄコンバータ８１へ接続される。デジタルへ変換された信号は、プロセッサ８００へ返される。プロセッサは、デジタルで作成した矩形波の位相シフト版に従って差動増幅器からの出力をデジタルで反転するよう動作する。すなわち、この実施の形態では、プロセッサ８００は、第１の実施の形態におけるアナログスイッチの機能性を行う。これは、なお更に部品点数を低減し得る。また、第１の実施の形態におけるように、システムは、単一のマイクロプロセッサを使用して、差動変換器のための入力位相反転信号を生成し、そして、また、同じ差動変換器のための出力位相反転動作を生成する。
【００２３】
すなわち、Ａ／Ｄコンバータからのデジタル出力８２は、プロセッサ８００によってデジタルに処理される。プロセッサ８００は、図４に示すフローチャートを実行する。
【００２４】
４００において、プロセッサは矩形波８０１を作成し、それは、低域通過フィルタ２４へ印加され、そして図１に示す第１の実施の形態に対して類似の方式で使用される。プロセッサ８００はまた、４０２においてＡ／Ｄコンバータ８１からビットを受け取る。４０４で、これらのビットのセンスは、４００で生成された矩形波とΦ度位相をずらしたセンスで、選択的に反転される。このようにして、ビットは、デジタルで作成した矩形波に対して特定のセンスで反転される。制御可能なプロセッサを使用することによって、波における更なる精度を生じることができ、追加の利点が獲得できる。例えば、プロセッサは、回路内の他の機能のために使用されてもよい。
【００２５】
幾つかの実施の形態のみを上で詳細に開示してきたが、他の改変は可能である。例えば、実施の形態はＬＶＤＴを用いる使用を広範囲に開示しているが、このシステムは、周期的な位相反転を使用する他の類似した変換器で使用されてもよい。また、他のデジタル演算処理素子が使用されてもよい。かかる改変の全ては、先に記載の特許請求の範囲内に包含されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】デジタルプロセッサを使用して第１および第２の位相をずらした矩形波を生成する第１の実施の形態を示し、その矩形波は励振駆動および波形の読取のために使用される。
【図２】第１の実施の形態のプロセッサの動作のフローチャートを示す。
【図３】デジタルプロセッサを使用して基準波を生成し、出力をデジタルに位相シフトする第２の実施の形態を示す。
【図４】図３のプロセッサの動作のフローチャートを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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