(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定基板上に設置し、容量結合によって電圧を測定する検出プローブアセンブリと、
前記検出プローブアセンブリが露出される第１の位置と前記検出プローブアセンブリがカバーされる第２の位置との間で移動可能な複数の窓を規定し、前記検出プローブアセンブリに隣接しているシャッタと、
前記シャッタに動作的に協調して、前記シャッタを、前記第１の位置と前記第２の位置との間で選択的に移動させるシャッタドライバと、
を備えることを特徴とする静電電圧計。
【請求項２】
請求項１に記載の静電電圧計であって、
前記複数の窓の各々は、櫛フィンガに垂直な長さ（ｌ）と櫛フィンガに平行な幅（ｗ）とを規定し、前記幅が最大変位に等しいことを特徴とする静電電圧計。
【請求項３】
非接触電圧計によって生成される出力信号を増加させる方法であって、
複数の検出プローブを固定基板上に設置し、
第１の位置で前記検出プローブを露出させ且つ第２の位置で前記検出プローブをカバーするように間隔を隔てられた複数の窓を規定する可動シャッタを、前記検出プローブに隣接して配置し、
前記シャッタを前記第１の位置と前記第２の位置との間で移動させることを特徴とする出力信号の増加方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量結合によって電圧を測定する非接触型の静電電圧計、及び、非接触電圧計によって生成される出力信号を増加させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
信頼性があり低コストで、且つ位置的に高精度のマイクロセンサを実現しようとする試みの中で、小さい機械要素をシリコン基板の上に集積する技術の開発が従来から継続して行われている。ポリシリコンのマイクロブリッジが、共振マイクロセンサ（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ）として、垂直方向及び横方向に駆動されている。横方向に駆動されるマイクロブリッジに関して、米国特許第５，０２５，３４６号に説明されているタイプの櫛形ドライブにおける変位は短く、典型的には１〜１０μｍのオーダであって、このために、検出信号が非常に弱いものになる。米国特許第５，０２５，３４６号の開示は、参照によってここに援用される。
【０００３】
弱い出力信号によって動作が阻害されるようなクラスのデバイスの一つが、静電電圧計（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ；ＥＳＶ）である。非接触のＥＳＶは、例えば、電子写真プリンタの中で使用されて、光受容体の表面電圧を測定する。しかし、付加的なアプリケーションが、当該技術で知られている。ほとんど全ての非接触電圧計において、表面電圧の測定は、検出プローブと被測定表面との容量結合によって行われる。この容量結合は、典型的には、検出プローブと被測定表面との間の機械的シャッタによって変調される。容量的に結合された検出プローブの出力電流は、
【数１】
ｉs（ｔ）＝ｄＱ（ｔ）／ｄｔ
＝ｄ／ｄｔ[Ｃ（ｔ）]Ｖs（ｔ）]
＝Ｃ（ｔ）ｄＶs（ｔ）／ｄｔ＋ＶsｄＣ（ｔ）／ｄｔ・・・式（１）
という式によって与えられる。ここで、Ｑ（ｔ）は検出プローブに誘起される時間変化する電荷、Ｃ（ｔ）は時間変化する容量、Ｖs（ｔ）は時間変化する測定表面電圧である。光受容体の電圧の直流成分Ｖdcの測定のためには、上述の式は、
【数２】
ｉs（ｔ）＝ＶdcｄＣ（ｔ）／ｄｔ
＝Ｖdc[∂Ｃ（ｘ，ｔ）／∂ｘ][∂ｘ／∂ｔ]        ・・・式（２）
と簡略される。ここで、Ｃ（ｔ）は、任意の時点でシャッタ位置によって決定される。サイン波の駆動信号に対しては、静電容量は、
【数３】
Ｃ（ｔ）＝Ｃ0＋Ｃmsin（ωｔ）                            ・・・式（３）
で与えられる。ここで、Ｃ0は静電容量の直流成分であって、時間変化しない。Ｃmは容量の交流成分であって、シャッタの運動と共に変化する。信号を最大化するためには、シャッタ位置に関する静電容量の変化（すなわち、式（２）の∂Ｃ（ｘ，ｔ）／∂ｘ）或いはシャッタ速度（式（２）の∂ｘ／∂ｔ）の何れか、又は両方を、増加させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
シャッタは典型的には共振によって動作するので、共振周波数がシャッタ速度∂ｘ／∂ｔを決定する。一方、シャッタの配置が、シャッタ位置に関する静電容量の変化を決定する。従来の微小電子機械的ＥＳＶは、検出プローブの一部をマスクする単純なシャッタを使用している。このシャッタは、静電的な櫛形ドライブによって駆動されて、その最大変位δｘは、典型的には１〜１０μｍのオーダである。
【０００５】
そのような設計では、静電容量における変調された変化は、検出プローブと光受容体との間の間隔ｄに対して、自由空間の誘電率ε0と面積Ａとによって、
【数４】
Ｃ（ｔ）＝Ｃ0＋（ε0δＡ／ｄ）sin（ωｔ）
＝Ｃ0＋（ε0ｌδｘ／ｄ）sin（ωｔ）              ・・・式（４）
として決定される。ここで、δｘはシャッタの変位、ｌ（エル）はシャッタの長さである。δｘは、櫛形ドライブの変位によって制限される。これより、変調面積を増加させるには、シャッタ長ｌを増加させる。しかし、シャッタ長ｌの増加は、それに対応して共振器のサイズ及び質量を増加させて、センサの空間解像度を減少させ、且つ機械的共振周波数を下げる。これは、検出プローブの電流出力の減少という好ましくない効果をもたらす。
【０００６】
これより、従来の設計よりも強い信号を得るために、より大きな有効変調面積をもたらす代替的な解決策が、求められている。
【０００７】
本発明は、上記及び他の課題の全てを解決する新規で改良された装置を実現し、より高い出力電流をもたらすものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によって提供される静電電圧計は、検出プローブアセンブリを有しており、このアセンブリは、容量結合によって電圧を測定する複数の検出プローブを有している。複数の窓を有するシャッタも含まれており、このシャッタは、検出プローブアセンブリが露出される第１の位置と検出プローブアセンブリがカバーされる第２の位置との間で移動可能である。シャッタは、検出プローブアセンブリに隣接して位置している。加えて、シャッタ変調器が、動作的にシャッタに協調しており、シャッタを、第１の位置と第２の位置との間で選択的に移動させることができる。
【０００９】
本発明の他の局面によれば、シャッタ変調器が、静電櫛形ドライブを含む微小電子機械システムを含んでいる。櫛形ドライブは、櫛フィンガーに平行な軸に沿った最大変位を規定する。シャッタの窓が更に、櫛形ドライブの最大変位の幅に同等の幅を規定する。
【００１０】
本発明の更に他の局面によれば、非接触電圧計によって生成される出力信号を増加させる方法が提供される。可動シャッタが、複数の検出プローブに隣接して置かれる。可動シャッタは、お互いに間隔を隔てた複数の窓を有しており、第１の位置では検出プローブを露出させ、第２の位置では検出プローブをカバーする。それにより、シャッタは第１及び第２の位置の間で移動して、生成される出力信号が増加される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図には電圧計Ｖが描かれており、これは一般的に、ドライバコンポーネントＤとセンサコンポーネントＳとを含む。より具体的には、特に図１を参照すれば、微小構造１０はドライバコンポーネントＤを有しており、これは、片持ち梁（カンチレバー）ばねアレンジメント１４を有する櫛形ドライバ１２として構成されている。櫛形ドライバ１２は、静電的に微小構造を駆動する共通メカニズムであって、基板１８に取り付けられた固定側１６を含む。櫛形ドライバは、静電駆動信号源２０に電気的に接続されている。櫛形ドライバの可動側２２は、片持ち梁ばねアレンジメント１４によって、基板１８に、但しその上方に、保持されている。複数の櫛「フィンガー」１６ａ、２２ａは交互に噛み合っていて（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）、固定側１６と可動側２２との間に電気的なコミュニケーションを提供する。これらのフィンガーの長さが、最大位置変位δｘを規定する。
【００１２】
図１に示されているドライバコンポーネントＤは、本発明の目的を達成する代表的な構造に過ぎないことが理解される。しかし、他のものの中で静磁気的及び熱的に駆動される微小構造の様な他のドライバコンポーネントも、この開示によって達成される。
【００１３】
ドライバコンポーネントＤに動作的に協調しているか或いは接続しているのが、センサコンポーネントＳである。この好適な実施形態では、ドライバコンポーネントＤは、センサコンポーネントの反対側か或いは横方向に隣接して配置されているが、本発明の範囲及び目的を逸脱することなく他の幾何学的な配置でも使用され得ることが理解されるであろう。検出プローブアセンブリ３０は基板１８に固定されていて、被測定表面に容量結合可能である。検出プローブアセンブリは、間隔を隔てた個々の検出プローブ（ここでは参照番号３０ａ，３０ｂ，３０ｃなどによって示されている）のセットである。個々の検出プローブは一緒に接続されていて、個々の信号が結合（重畳）される。センサコンポーネントＳは、可動シャッタ３２を更に備えており、これは、検出プローブアセンブリ３０を選択的に覆う。ここで、シャッタはドライバコンポーネントＤに機械的に接続していて、ドライバコンポーネントの直線的な変位が、対応するシャッタの変位をもたらす。シャッタ３２は、複数の或いは１セットの開口部或いは窓３４を有しており、これらは、シャッタ３２が第１の位置にあるときに窓３４を通じて検出プローブアセンブリ３０を選択的に露出させるように構成されている。個々のシャッタ開口部は、個々の検出プローブの間隔に相当する寸法だけ、お互いに間隔を隔てている。シャッタ３２が第２の位置にあるときには、検出プローブアセンブリ３０或いは個々の検出プローブは、窓の間に存在するシャッタ領域３６によってカバーされる。言い換えれば、シャッタ３２が第１の位置にあるときには、検出プローブアセンブリ３０による容量結合が可能になる。一方、シャッタが第２の位置にあるときには、検出プローブアセンブリによる容量結合はマスクされて妨げられる。検出プローブアセンブリ３０によって生成される電流は、ライン３８に出力される。
【００１４】
窓３４は、長さｌ（エル）及び幅ｗを規定する。この好適な実施形態では、幅ｗは１０μｍオーダであり、最大位置変位δｘよりも僅かに短い。同様に、窓を分離する各シャッタ領域３６は、最大位置変位δｘに実質的に等しい。
【００１５】
幾何学的なこの変化が、小さな駆動変位δｘを使用して変調面積に大きな変化を効果的にもたらすという望ましい効果を有することを、当業者はここで理解するであろう。言い換えれば、変調面積は（ｎ）×（δｘ）×（ｌ）であり、窓を有さないシャッタのｎ倍の大きさである（ｎは、シャッタ３２における窓３４の数である）。参照を容易にするために、式（４）の変形をここで示すと、
【数５】
Ｃ（ｔ）＝Ｃ0＋ε0δＡ／ｄsin（ωｔ）
＝Ｃ0＋ε0ｎｌδｘ／ｄsin（ωｔ）        ・・・式（４’）
と表されて、面積の増加による効果が数学的に理解されるであろう。この面積の増加によって、好ましい出力信号が増加する。
【００１６】
シャッタ３２の窓は、出力信号の増加にも寄与する。窓はシャッタを軽くし、すなわち重量を減少させて、検出プローブシステムの共振周波数を増加させる。
周波数（ω）の増加は、以下の式に示されるようにシャッタ速度（δｘ／δｔ）を増加させる。
【００１７】
【数６】
ｘ＝ｘ0sin（ωｔ）                                  ・・・式（５）
これより、
【数７】
δｘ／δｔ＝ωｘ0cos（ωｔ）                        ・・・式（６）
及び、
【数８】
ｉs（ｔ）＝ＶdcｄＣ（ｔ）／ｄｔ
＝Ｖdc[∂Ｃ（ｘ，ｔ）／∂ｘ][∂ｘ／∂ｔ]    ・・・式（２）
従って、速度の増加は、今度は出力信号を増加させる。
【００１８】
次に図２を参照すると、電子写真型のコピー機／プリンタ４０が、回転ドラムとして形成された光受容体４２を含む。ベルト或いはウェブのような光受容体の他の形態にも利用可能であることを、本発明では認識している。帯電ステーション４４が設けられて、ここでは、イメージ形成の準備として光受容体４２が帯電される。様々な動作（コピー、印刷など）の何れにおいても、光受容体４２は電圧計Ｖに隣接する経路を移動して、その後に、静電的なイメージが光受容体４２の上に与えられる。次に、光受容体４２は現像ステーション４６に進んで、光受容体４２の上に生成された潜像が現像され、その後に転写ステーション４８で、先に現像されたイメージがコピーシート５０に転写される。残存する現像材材料は、帯電ステーション４４で再び帯電される前に、クリーニングステーション５２で光受容体４２から除去される。電子写真装置及び動作方法の詳細は、当該技術分野の当業者には一般的に知られており、特定の詳細が本発明の一部を形成するものではない。
【００１９】
図３は、上記で説明したコピー機／プリンタ４０における電圧計Ｖの断面を示す。図１をあわせて参照すれば、電圧計Ｖは櫛形ドライバ１２を含んでおり、その固定側１６は基板１８に取り付けられて、可動側２２は、片持ち梁ばねアレンジメント１４を介して、移動可能なように基板に取り付けられている。描かれている検出プローブアセンブリ３０は基板１８に取り付けられており、基板と光受容体４２との間に可動シャッタ３２がある。
【００２０】
図２及び図３は、実用的な環境における本発明の使用方法の代表的な一つの例に過ぎない。一般的な原則は、関連する環境或いはアプリケーションに適用され得る。例えば、平面パネルディスプレイアプリケーションでは、第１及び第２の表面の間に変調光の原則を含むことができる。同様に、上記の好適な実施形態では、静電電圧計のアプリケーションにおいて単一のＭＥＭＳ変調器を使用した。
しかし、当業者は、これらの原則の変調器アレイへの適用を容易に理解するであろう。例えば、ページ幅を検出且つ制御しようとする試みにおいて、変調器アレイを使用して、離散した（ディスクリートな；ｄｉｓｃｒｅｔｅ）場所での光受容体の電圧を検出することができる。更に、図１〜図３の好適な実施形態を参照して説明した変位は線形であるが、角度方向での変位を使用する実施形態も実現されるものであって、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る静電電圧計の構成を説明する概略説明図である。
【図２】  静電電圧計が組み込まれた静電コピー機／プリンタの模式的な構成を説明する説明図である。
【図３】  図２における電圧計の詳細を説明する説明図である。
【符号の説明】
Ｖ  静電電圧計、Ｄ  ドライバコンポーネント、Ｓ  センサコンポーネント、１０  微小構造、１２  櫛形ドライバ、１４  片持ち梁ばねアレンジメント、１６  固定側、１８  基板、２０  静電駆動信号源、２２  可動側、１６ａ，２２ａ  櫛フィンガー、３０  検出プローブアセンブリ、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ  検出プローブ、３２  可動シャッタ、３４  窓、３６  シャッタ領域、３８  ライン、４０  コピー機／プリンタ、４２  光受容体、４４  帯電ステーション、４６  現像ステーション、４８  転写ステーション、５０  コピーシート、５２
クリーニングステーション。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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