DE69518190T2

DE69518190T2 - Elektrostatisches Voltmeter mit Waagebalken-Modulator

Info

Publication number: DE69518190T2
Application number: DE69518190T
Authority: DE
Inventors: Schlueter, Jr.; James F. Smith; Werner, Jr.
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1995-05-09
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2015-05-10
Also published as: JPH07306237A; EP0682263A2; DE69518190D1; EP0682263B1; EP0682263A3; US5489850A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Messen elektrostatischer Potentiale, und genauer einen Sensor oder eine Elektrode, der/die in einem elektrostatischen Feld vibriert und zum Messen eines elektrostatischen Feldes oder einer elektrostatischen Spannung benutzt werden kann.
Ein elektrostatisches Voltmeter (ESV) ist ein Gerät, das zum Messen elektrostatischer Felder oder Potentiale ohne Stromfluß durch das Gerät befähigt ist. Allgemein enthalten diese Geräte eine Sonden- oder Sensoranordnung, die in Verbindung mit einer zugeordneten Voltmeter-Anordnung arbeitet, welche die Signale von der Sonde empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt. Darauffolgend kann das Ausgangssignal benutzt werden, um eine Anzeige anzusteuern oder einen elektrostatischen Vorgang als Funktion des gemessenen elektrostatischen Potentials zu steuern. Damit können die Merkmale der vorliegenden Erfindung auf dem Gebiet des Druckens und insbesondere in einem elektroreprografischen System eingesetzt werden, um einen xerografischen Vorgang zu steuern. Diese elektrostatischen Voltmeter sind besonders gut zum Messen von Fotorezeptor-Oberflächenladungen geeignet, wodurch wiederum die automatisierte Einstellung von Maschinenkennwerten zum Erreichen einer qualitativ hochwertigen reprografischen Ausgabe möglich ist.
Bisher wurde es so eingerichtet, dass eine Erfassungselektrode mit Bezug auf das zu messende Feld moduliert werden mußte, um das Feld genau messen zu können. Im wesentlichen sind zwei Verfahren zum Erzielen der erforderlichen Modulation der Elektrode bekannt. Das erste Verfahren erfordert, dass die Elektrode stationär ist, und dass ein vibrierendes Element oder ein Flügel zwischen einer Sichtöffnung und der Elektrode selbst bewegt wird, um das Feld zu modulieren, welches die Elektrode erreicht. Das zweite Verfahren benutzt eine sich bewegende Elektrode, welche relativ zu der zu messenden Oberfläche in Vibration versetzt wird. Allgemein werden zwei Ausführungsformen dieses Verfahrens benutzt. Eine erste Ausführungsform bewegt die Elektrode in einer zu der zu messenden Oberfläche senkrechten Richtung und verändert dadurch direkt den Kapazitätswert zwischen der Elektrode und der Oberfläche. Die zweite Ausführungsform benutzt einen Durchbruch oder eine Öffnung, die zwischen die Elektrode und die zu untersuchenden Oberfläche gesetzt wird, um periodisch die Elektrode durch die Öffnung kapazitiv mit der Oberfläche zu koppeln, während die Elektrode parallel zu der Oberfläche bewegt wird. Das kann durch Befestigen der Elektrode am Ende eines vibrierenden Gerätes, wie der Zinke einer Stimmgabel erreicht werden. Ein Vorteil der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass, wenn die Elektrode allgemein an der Öffnung zentriert wird, die Bewegung der Elektrode sie während jedes Vibrationszyklus zweimal von der Oberfläche entkoppelt, wodurch effektiv die Modulationsfrequenz im Vergleich mit der Frequenz des vibrierenden Systems verdoppelt wird. Allgemein benutzen sowohl die erste wie die zweite Ausführungsform eine Stimmgabel, um die Modulation der Elektrode zuverlässig zu erhalten, entweder durch einen am einen Ende der Gabel angebrachten Flügel oder durch direktes Befestigen der Elektrode an einem Ende der Stimmgabel.
Es ist eine Anzahl von Vorgehensweisen und Auslegungsformen für elektrostatische Voltmeter vorgeschlagen worden.
Die am 9. August 1988 an Williams ausgegebene US-A-4 763 078 betrifft einen Sensor für ein elektrostatisches Voltmeter, der aus einem an einem Ende in der Weise eines Kragbalkens abgestützten vibrierenden Element, einer empfindlichen Elektrode an dem vibrierenden Element zum Messen des Potentials, einem Treiber (einer Ansteuerschaltung), um das vibrierende Element in einer Richtung zum Verändern der kapazitiven Kopplung zwischen der Elektrode und dem zu messenden elektrischen Feld in Vibration zu versetzen, und einem direkt an dem vibrierenden Element angebrachten Verstärker besteht, der dadurch in synchroner Bewegung mit der Elektrode ist.
Die am 25. November 1986 an Champion u. a. ausgegebene US-A-4 625 176 beschreibt eine vibrierende Sonde zum Messen eines elektrostatischen Potentials, das elektrofotografischen Kopierern und Druckmaschinen zugeordnet ist.
Die am 10. April 1979 an Buchheit ausgegebene US-A-4 149 119 lehrt ein elektrostatisches Voltmeter mit einem Sondensensor, der mit Benutzung eines rotierenden Flügels oder einer Blendenanordnung moduliert wird. Die Sonde ist dabei so konditioniert, dass sie sowohl Wechselspannungs- wie Gleichspannungssignale aufnimmt, die durch einen Gleichspannungsverstärker verstärkt werden, wobei das Wechselspannungssignal von der Sonde zu dem Gleichspannungsverstärker zurückgeführt wird, um dessen Ausgang zu stabilisieren.
Die am 3. Dezember 1974 an Williams u. a. ausgegebene US-A-3 852 667 betrifft eine Sonde oder einen Sensor für ein elektrostatisches Voltmeter mit einer auf Spannung ansprechenden Elektrode, die in einem Gehäuse in Vibration versetzt wird, um so die Größe der Oberfläche der Elektrode zu verändern, die durch eine Öffnung in dem Gehäuse direkt einem externen elektrischen Potential ausgesetzt ist.
Eine bevorzugte Vorgehensweise, die zum Vibrieren der Elektrode in einem elektrostatischen Feld ausgelegt ist, um das elektrostatische Oberflächenpotential zu messen, ist in der am 18. Mai 1993 an Werner ausgegebenen US-A-5 212 451 dargestellt, wobei das elektrostatische Voltmeter ein einzelnes Waagebalken-Vibrationselement benutzt, das an seiner Mitte abgestützt und ausgeglichen ist und in solcher Weise angesteuert wird, dass eine reguläre Vi bration des Balkens erhalten wird. Eine Schwierigkeit bei einer solchen Ausführungsform besteht jedoch in der Aufrechterhaltung des elektrischen Kontakts mit einer an einem Ende des vibrierenden Balkens befestigten Elektrode oder Sonde in solcher Weise, dass sie nicht nur die Dämpfung der Balkenvibration minimiert, sondern auch einen anhaltenden Betrieb des elektrostatischen Voltmeters über wiederholte Vibrationszyklen zulässt.
Die am 14. Dezember 1993 an Werner u. a. ausgegebene US-A-5 270 660 offenbart ein elektrostatisches Voltmeter, das einen Modulator erfordert, der bei einem Potential gleich dem zu messenden Potential schwimmt; wodurch eine schwimmende Leistungsversorgung zum Antrieb des Modulators erforderlich ist. Das in der anhängigen EP-A-0 636 892 beschriebene elektrostatische Voltmeter und der in US-A-5 212 451 geoffenbarte Vibrationsbalkenmodulator ermöglichen ein elektrostatisches Voltmeter, bei dem alle Verarbeitungen bei Massenpotential nur mit der Elektrode und einem bei einem unterschiedlichen Potential "schwimmenden" Schirm vollbracht werden, wodurch jede Notwendigkeit für eine schwimmende Stromversorgung beseitigt wird. Jedoch legen diese beiden Ausführungsformen dem Modulatoraufbau und den zu verwenden Materialien zusätzliche Beschränkungen auf, um sicherzustellen, dass (a) keine Streuladung in der Sonde moduliert werden kann; (b) kein unerwünschtes Lecken des gekoppelten Signals zu Masse erfolgt; und (c) keine kapazitive Kopplung zwischen der Elektrode und dem zum Antrieb des Modulators benutzten elektromechanischen Mechanismus vorhanden ist.
Die vorliegende Erfindung sucht diese Anforderungen zu erfüllen durch Sicherstellen, dass alles elektrisch isolierende Material, das die Elektrode sieht, "antistatisch" ist, dass jede direkte Kopplung mit Masse mit sehr niedrigem Wegverlust mit hoher Durchbruchspannung besteht, und dass der Kapazitätswert zwischen der Elektrode und dem Balken-Antriebsmechanismus minimiert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Messen der Größe eines elektrostatischen Feldes:
einen zum Vibrieren ausgelegten Waagebalken;
eine durch ein Ende des Waagebalkens getragenen Sensorelektrode, die sich gleichlaufend mit dem Waagebalken in dem elektrostatischen Feld bewegt, um so ein vorgespanntes Hochspannungs-Signal zu erzeugen,
eine Hochspannungssignal-Verarbeitungsschaltung; und
einen Leiter zur elektrischen Verbindung der Sensorelektrode mit der Hochspannungssignal- Verarbeitungsschaltung;
und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode von dem Waagebalken isoliert ist; dass der Leiter ein mehrsträngiger Leiter ist, um die mechanische Belastung des Waagebalkens zu reduzieren; und
dass die Hochspannungssignal-Verarbeitungsschaltung in Reaktion auf das vorgespannte Hochspannungs-Signal ein zweites Signal (V) mit einer niedrigeren Spannung als der des vorgespannten Hochspannungssignals, proportional zu der Größe des elektrostatischen Feldes erzeugt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird nun beispielsweise mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des einzelnen vibrierenden Waagebalkenelementes der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Sensorelement an einem Ende des vibrierenden Elementes befestigt ist;
Fig. 2 ein Blockschaltbild der allen Ausführungsformen des elektrostatischen Voltmeters gemeinsamen elektrischen Komponenten ist;
Fig. 3 eine detaillierte Darstellung der Rückseite einer geschirmten Elektrodenanordnung ist; und
Fig. 4 eine detaillierte Ansicht der Vorderseite der in Fig. 3 dargestellten geschirmten Elektrodenanordnung ist.
Für ein allgemeines Verständnis des elektrostatischen Einzelwaagebalken-Voltmeters der vorliegenden Erfindung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen wurden durchgehend gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen identischer Elemente verwendet. Hier wird der Ausdruck "Niederspannung" so benutzt, dass er Potentiale von weniger als ca. 240 V bezeichnet, und typischerweise solche in einem Bereich von ca. 5 bis 25 V, während der Ausdruck "Hochspannung" zum Bezeichnen von Potentialen von bis zu 1700 V und typischerweise in dem Bereich von ca. 1000 bis 1700 V bestimmt ist.
Fig. 1 zeigt eine Modulatoranordnung 16, die ein einstückiges Vibratorelement 30 enthält, das starr über Befestigungsklötze oder Einzelständer 24 an einem Substrat befestigt ist. Das vibrierende Element 30 enthält einen länglichen Balken 32, an dessen einem Ende eine Sonde oder eine Sensorelektrode 34 permanent angebracht ist, und elastische Stützen 36 in der Nähe der Mitte es Balkens, um den Balken abzustützen und doch eine Oszillation oder Biegung des Balkens zuzulassen. Die Sondenelektrode 34 kann irgendein bekanntes Sensorelement sein, das zur kapazitiven Kopplung mit einem elektrostatischen Feld außerhalb des Gehäuses 12 und dadurch zum Erzeugen eines für die Größe des elektrostatischen Feldes bezeichnenden Signals geeignet ist. Das durch die Sensorelektrode 34 erzeugte Signal wird über einen mehrsträngigen Leiter 50 einer Hochspannungs-Signalverarbeitungsschaltung 80 zugeführt.
Spezifische Einzelheiten der Signalverarbeitungsschaltung 80 sind in EPA-0 636 892 zu finden.
Die Sensorelektrode 34 ist gegen den Balken 32 auch durch eine antistatische Schicht 35 isoliert. Die antistatische Schicht 35 ist vorzugsweise ein halbleitendes Polycarbonatmaterial, kann jedoch auch ein Polyesterfilm wie Mylar (DuPont), ein Polyurethanmaterial oder ein Polyimidmaterial sein. Die antistatische Schicht ist an der Sensorelektrode mit einem antistatischen Kleber, vorzugsweise einem halbleitenden Cyanacrylatkleber befestigt, der Cylok GM und Cylok LR enthält, wie es von der Industriekleber-Abteilung der Lord Corporation geliefert wird. Alternativ kann der antistatische Kleber ein antistatischer UV-härtbarer Kleber oder ein Polyurethankleber sein, der mit Benutzung eines ionischen quarternären Ammoniumsalzes halbleitend gemacht ist, in einer Weise, die in einem oder mehreren der folgenden Patente von Schlueter u. a. beschrieben ist: US-A-5 259 989 und 5 259 990 (beide am 9. November 1993 ausgegeben), oder US-A-5 286 566 und US-A-5 286 570 (beide am 15. Februar 1994 ausgegeben).
Der mehrsträngige Leiter 50 besteht vorzugsweise aus Kohlenstofffasern mit sehr kleinem Durchmesser in der Größenordnung von 8 um Durchmesser, die in parallelen Strängen aus ca. 25 bis 50 Fasern so angeordnet sind, dass sie eine unbedeutende mechanische Belastung für das Ende des vibrierenden Balkens ergeben, an dem der Leiter mit der Elektrode 34 verbunden ist. Das Fasermaterial, das weiter im einzelnen in der am 15. Juni 1993 an Swift, u. a. ausgegebenen US-A-5 220 481 und der am 5. Oktober 1993 ebenfalls an Swift u. a. ausgegebenen US-A-5 250 756 beschrieben ist, wird vorzugsweise durch eine gesteuerte Wärmebehandlung von Polyacrylonit-(PAN)Vorläuferfasern erhalten, um so zumindest eine partielle Karbonisierung derselben zu erreichen, und wird so ausgewählt, dass er eine Leitungsart hat, die einen geringen Widerstand mit den wenigen benutzten Fasern im Bereich von 0 Ω (Ohm) bis 1 MΩ und vorzugsweise in dem Bereich von etwa 300 Ω bis 400 Ω ergibt. In besonderer Weise versucht das hier beschriebene elektrostatische Voltmeter das elektrostatische Potential ohne Induzieren eines bedeutsamen Stromflusses durch den mehrsträngigen Leiter zu messen. So ist der tatsächliche Widerstandswert für den Betrieb des ESV nicht kritisch. Zusätzlich besitzt das Kohlenstoffmaterial selbst von Haus aus eine Schmierfähigkeit, die verhindert, dass sich die Fasern bei wiederholten Schwingungszyklen der vibrierenden Sonde selbst abschleifen. Wie beschrieben, ist jeweils ein Ende jeder Faser an der Sondenelektrode 34 befestigt, um elektrischen Kontakt zu schaffen. Bei einer Ausführungsform sind die Fasern mit der Rückseite der Elektrode 34 mit Hilfe eines kleinen Flecks von thixotropem Cyanacrylat- Kleber 48 verbunden. Sobald sie getrocknet ist, wird die Verbindungsstelle mit Benutzung ei ner leitenden Silberfarbe beschichtet, um den elektrischen Kontakt zwischen den Fasern und der Elektrode sicherzustellen. Alternativ können die Fasern zum Kontakt mit der Elektrode 34 mit Hilfe eines leitenden Epoxids, oder leitender bei Raumtemperatur vulkanisierender (conductive room-temperatur vulcanizing RTC) elastomerer oder gleichartiger Kleber verbunden werden, die zum permanenten Befestigen eines Endes eines Kohlenstofffaserleiters mit der Elektrode geeignet sind, während sie gleichzeitig etwas elektrische Leitfähigkeit ergeben.
Die charakteristischen Abmessungen des Balkens 32, der vorzugsweise aus Ni-Span-C (eine von der International Nickel Co., Inc. erhältliche Nickel/Eisen/Chrom-Legierung) und der Ort der Träger 36 wirken zusammen, um zu bestimmen wo der Vibrationsknoten und das Zentrum der Vibration des Balkens liegen wird. Zwar können zahlreiche Materialien eingesetzt werden, doch zeigen die gemeinhin für die Erzeugung von Vibrations-Bezugsgebern, z. B. Stimmgabeln, verwendeten die erforderlichen mechanischen Kenngrößen. Darüberhinaus benutzt die vorliegende Ausführungsform ein Vibrationselement, das aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität hergestellt ist, so dass es auf ein angelegtes Magnetfeld reagiert. Wenn deshalb der Balken 30 unter Einfluss einer unter dem Ende des Balkens dem Sensor gegenüberliegenden Magnetspule 36 zum Vibrieren induziert wird, wird die Elektrode 34 in der durch Pfeile 40 bezeichneten Richtung in Schwingung versetzt. Während der Oszillationen wird die Elektrode wiederholt mit einem elektrostatischen Feld gekoppelt und von ihm entkoppelt, wenn sie an der Öffnung 42 vorbeitritt, die in der Seitenwand des Gehäuses 12 an einem Ort in der Nähe der Ruhe- oder Nennposition der Sensorelektrode gelegen ist. Das Schwingen der Elektrode lässt sie jedesmal dann dem durch die Öffnung hindurchtretenden externen elektrischen Feld ausgesetzt sein, wenn sie an der Ruheposition vorbeikommt, so dass die Elektrode während jedes Schwingungszyklus des Balkens zweimal beaufschlagt wird und eine Modulationsfrequenz erzeugt, die das Doppelte der Schwingungsfrequenz des Balkens 32 ist. Alternativ kann die Elektrode 34 auch so angebracht sein, dass ihre Ruheposition von der Öffnung 42 entfernt liegt, so dass die Frequenz nicht verdoppelt wird, sondern gleich der Schwingungsfrequenz des Balkens 32 bleibt.
Wie vorher beschrieben, wird die Schwingung des Balkens 32 direkt durch die Magnetspule 38 beeinflusst, die als Ansteuerung für das einstückige Vibrationselement wirkt. Ein piezoelektrischer Aufnehmer 46, der über dem Vibrationsknoten des Balkens 32 gelegen ist, erfasst die Vibrationen des Balkens und sorgt für Signale zu einer (nicht gezeigten) Rückkoppel- Steuerschaltung, um so das der Magnetspule zugeführte Ansteuersignal und damit die Frequenz und den Modus der Balkenschwingungen zu steuern. Genauer gesagt, regelt die Rückkoppel-Steuerung die Frequenz der an die Magnetspule 38 angelegten Wechselspannung so, dass die gewünschte harmonische Vibration des Balkens erhalten wird. Bei einer Ausführungsform hält ein Balken mit einer Gesamtlänge von ca. 25 mm und einer Breite von etwa 2 mm eine am Ende des Balkens gemessene Vibrationsamplitude von ca. 1 mm Spitze/Spitze bei einer Frequenz von etwa 1 Kilohertz (kHz) aufrecht. Bei der Resonanzfrequenz des Balkens ist die zum Aufrechterhalten der Vibration erforderliche Energie minimal, was eine zusätzliche Wirksamkeit und einen niedrigeren Ansteuerstrom für die Magnetspule bedeutet. Wegen der Wirksamkeit des Einzelwaagebalken-Modulators ist ein geringerer Ansteuerstrom erforderlich, wodurch sich eine Herabsetzung des durch das Ansteuersignal verursachten Sensorfehlers ergibt.
Die in Fig. 1 abgebildete Ausführungsform zeigt an, dass der piezoelektrische Aufnehmer 46, der irgendein dünnes oder dünnfilmartiges Element sein kann, das eine elektrische Reaktion zu einer Abbiegung desselben erzeugt, benutzt wird, um die Vibration des Balkens 32 zu überwachen, und die Magnetspule 38 zum Antreiben der Balkenvibration benutzt wird. Vorzugsweise wird die mechanische Belastung, die sich aus dem piezoelektrischen Aufnehmer für den Balken ergibt, auf den geringstmöglichen Wert herabgesetzt. Alternativ können die Überwachungs- und Antriebsvorgänge beispielsweise durch Ersetzen der Magnetspule 38 durch ein zweites piezoelektrisches Element bewirkt werden, das an der Unterseite des Balkens in der Nähe von dessen Mitte angebracht wird und den Balken in Reaktion auf ihm zugeführte elektrische Ansteuersignale antreibt. Dementsprechend ist beabsichtigt, den Bereich der vorliegenden Erfindung so zu halten, dass er alle derartigen alternativen Verfahrensweisen des Ansteuerns und Überwachens der Vibration des Balkens umfasst.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das die zwei primären Elemente oder Blöcke darstellt, welche die elektrostatische Voltmeterschaltung ausmachen. Im allgemeinen erzeugt das elektrostatische Voltmeter ein elektrisches Niederspannungssignal V in Reaktion auf ein elektrisches Signal, das durch die Sensorelektrode 34 geschaffen wird, welche einem an einer (nicht gezeigten) Oberfläche vorhandenen elektrostatischen Potential ausgesetzt ist. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erzeugt der Sensor ein Eingabesignal als ein sich änderndes Spannungssignal, um das elektrostatische Potential an der Oberfläche darzustellen. Genauer ausgedrückt, ist das Eingabesignal eine Kombination eines sich ändernden Spannungssignals mit kleiner Amplitude, das oben auf einem Hochspannungs-Vorspannsignal läuft, welches annähernd die Spannung des elektrostatischen Feldes erreicht. Eine Hochspannungs-Pegelschiebeschaltung 90 ist mit dem Sensor verbunden, um ein Stromsignal ILS hervorzurufen, das auf Erdpotential bezogen wird. Die Größe von ILS ist ein Maß für das Oberflächenpotential. Danach wird das Stromsignal zu einem Wandler 100 geleitet, um es in ein elektrisches Nie derspannungssignal V zu wandeln. Der Wandler enthält einen Stromspiegel 110, der geeignet ist, das pegelgeschobene Stromsignal in einen Transimpedanz-Verstärker 120 einzuspeisen. Unter Benutzung einer gewünschten Übertragungsfunktion transformiert der Transimpedanz- Verstärker dann das vom Stromspiegel ausgegebene Stromsignal in ein für das Oberflächenpotential bezeichnende Niederspannungssignal.
Der Wandler 100 kann auch zwei zusätzliche Elemente enthalten, um die gewünschte Übertragungsfunktion zu erfüllen, nämlich eine Null-Versatzschaltung 102, die es erlaubt, die bei Ausgabespannung bei Null V Eingabe von Null V abzusetzen, und eine Spannen-Einstellschaltung 104, welche das Verhältnis zwischen der Ausgabespannungs-Spanne und der Eingabespannungs-Spanne einstellt. Weitere Einzelheiten der elektrischen Komponenten nach Fig. 2 sind in der anhängigen EP-A-0 636 892 beschrieben.
In dem in Fig. 2 abgebildeten verallgemeinerten Blockschaltbild ist es wichtig, zu erkennen, dass zahlreiche elektrische Schaltungen und Komponenten als Wandler 100 benutzt werden können, um eine brauchbare Ausgabespannung V zu erhalten. Zu den Beispielen gehören einfache Mittel wie ein Einzelwiderstand zum Erzeugen einer für die Eingabespannung bezeichnenden Spannung und sie reichen über Standard-Operationsverstärker-Techniken bis zum Ersetzen des relativ einfachen Vorgehens durch Stromspiegel und Transimpedanz-Verstärker. Dem Fachmann auf diesem Gebiet sind diese Mittel wohl bekannt. Nach Abschluss der Beschreibung der allgemeinen Komponenten des verbesserten elektrostatischen Voltmeters werden nun die restlichen Figuren im einzelnen beschrieben, um die bestimmten Elemente darzustellen, welche die vorliegende Erfindung umfassen.
Fig. 3 und 4 stellen jeweils die Vorder- bzw. die Rückseite der abgeschirmten Elektrodenanordnung 130 dar. Im allgemeinen ist die Anordnung 130 zur Verwendung als Sondenelektrode bei elektrostatischen Voltmetern gedacht, wo nur die Sondenelektrode und der Schirm bei einem dem zu messenden gleichen Potential schwimmen, während die restlichen Komponenten des elektrostatischen Voltmeters, einschließlich der Vibrationsbalken-Antriebsschaltung, geerdet sind. Zurück zu Fig. 1: wenn das elektrostatische Voltmeter auf einem schwimmenden Potential zu halten ist, reicht es, die einfache Elektrode 34 durch einen antistatische Schicht 35 zu isolieren und an dem Balken mit (nicht gezeigtem) antistatischem Material zu befestigen. Wenn sich andererseits die Treiberschaltung des elektrostatischen Voltmeters auf Erdpotential befindet und die Elektrode schwimmt, ist die in Fig. 3 und 4 abgebildete geschirmte Elektrodenanordnung erforderlich.
Die geschirmte Elektrode 130 wird in einer Schichtgestaltung aufgebaut, die aus der leitenden Elektrode 134 besteht, die gegen den etwas größeren leitenden Schirm 136 durch eine antistatische Schicht 138 isoliert ist. Der Schirm 136 wird dann von dem vibrierenden Balken 32 mittels einer Schicht 140 mit sehr niedrigem Lecken und hoher Durchbruchspannung isoliert, die durch einen Kleber 142 mit sehr niedrigem Leckwert und hoher Durchbruchspannung befestigt wird. Hier wird der Ausdruck "niedriger Leckwert" so eingesetzt, dass er ein Materialvolumen-Widerstand im Bereich von 10¹² bis 10¹&sup4; Ohm·cm, vorzugsweise etwa 10¹&sup4; Ohm·cm darstellt, und der Ausdruck "hohe Durchbruchspannung" bezieht sich auf Durchbruchspannungen, die größer als ca. 2000 V sind. Die vorzugsweise aus einer selbsttragenden Metallschicht gebildete leitende Schirmung 136 ist elektrisch mit einer Schaltung verbunden, die mit Benutzung eines zweiten Strangs von Leitfasern 14 aus den gleichen mehrsträngigen Kohlenstofffasern, wie sie vorher beschrieben wurden, mit dem Hochspannungseingang gemeinsam verläuft, und mit Kleber am Fleck 18 angeschlossen sind. Der Schirm 136 sollte vorzugsweise eine leicht konvexe Form besitzen, wobei die Elektrode 134 darin angebracht ist, so dass die Möglichkeit einer kapazitiven Kopplung zwischen der Elektrode und anderen Bestandteilen der Modulatoranordnung reduziert wird. Die antistatische Schicht 138 kann aus einem von einer Anzahl von antistatischen Materialien bestehen, einschließlich Polycarbonat-, Polyurethan-, Polyester- und Polyimid-Materialien. Bei einer alternativen Ausführungsform, bei der die Schicht 138 lediglich ein isolierendes Material ist, müssen die freiliegenden Kanten derselben (Bereiche, die nicht durch die Elektrode 134 bedeckt sind) mit einem antistatischen Material beschichtet werden, um so zu verhindern, dass sich eine Ladung daran aufbaut. Ein Material, das erfolgreich für eine derartige Beschichtung eingesetzt wurde, ist das vorher beschriebene antistatische Cyanacrylat, obwohl auch die vorher beschriebenen alternativen antistatischen Kleber ebenfalls als antistatische Beschichtungen wirken können.
Bei einer Ausführungsform besteht der leitende Schirm 136 aus einem Stück Messing- Unterlegematerial mit einer durchschnittlichen Dicke von 25 um (10&supmin;³ inch). Alternativ kann kupferbeschichtetes Druckschaltungs-Platinensubstrat zum Ausbilden von einem oder mehreren Abschnitten der Schichtgestaltung benutzt werden. Kritisch ist, dass das für die Verbindung der Elektrode mit dem leitenden Schirm benutzte antistatische Bindungsmittel gut von dem elektrisch geerdeten Balken getrennt sein muss. Es ist auch wichtig, dass jede isolierende Schicht, die der Modulationselektrode ausgesetzt ist, wiederum antistatisch sein muss, um den Aufbau von elektrischer Ladung zu verhindern. Das kann durch Beschichten dieser Fläche mit einem antistatischen Isoliermaterial wie der Cylok-Reihe von antistatischen Cyanacrylat- Klebern, die durch die Firma Lord, Inc. vertrieben werden, und die typischerweise einen Volumenwiderstand von 5 · 10&sup9; Ohm·cm aufweisen und auch als halbleitende Materialien bezeichnet werden können. In gleicher Weise stellen normale Cyanacrylat-Kleber ausgezeichnete Be schichtungen mit sehr niedrigem Leckwert und hoher Durchgangsspannung dar, und solche Verbindungen sind deswegen auch bevorzugte Kleber für die geschirmte Elektrodenanordnung 130.
Zur Wiederholung: Die vorliegende Erfindung bildet in einer Vorrichtung zum Messen elektrostatischer Potentiale, einschließlich einer Sondenelektrode, die in einem elektrostatischen Feld vibriert werden kann und zum Messen eines elektrischen Feldes oder einer elektrostatischen Spannung benutzt wird. Die Sondenelektrode erzeugt Signale, die zu einer Signalverarbeitungsschaltung über flexible elektrische Leiter übertragen werden, die so ausgesucht sind, dass sie die mechanische Belastung für den vibrierenden Balken verringern. Die Sondenelektrode kann auch so hergestellt werden, dass eine Isolation der Elektrode gegen die restlichen Bestandteile des elektrostatischen Voltmeters sichergestellt ist, so dass es der Sonde ermöglicht wird, bei dem elektrostatischen Potential zu schwimmen, während die restlichen Komponenten geerdet sind.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Größe eines elektrostatischen Feldes, mit:

einem zum Vibrieren ausgelegten Waagebalken (32);

einer durch ein Ende des Waagebalkens (32) getragenen Sensorelektrode (34), die sich gleichlaufend mit dem Waagebalken (32) in dem elektrostatischen Feld bewegt, um so ein vorgespanntes Hochspannungs-Signal zu erzeugen,

einer Hochspannungssignal-Verarbeitungsschaltung (80); und

einem Leiter zur elektrischen Verbindung der Sensorelektrode mit der Hochspannungssignal-Verarbeitungsschaltung (80);

dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (34) von dem Waagebalken (32) isoliert ist;

dass der Leiter ein mehrsträngiger Leiter (50) ist, um die mechanische Belastung des Waagebalkens (32) zu reduzieren; und

dass die Hochspannungssignal-Verarbeitungsschaltung (80) in Reaktion auf das vorgespannte Hochspannungs-Signal ein zweites Signal (V), mit einer niedrigeren Spannung als der des vorgespannten Hochspannungssignals, proportional zu der Größe des elektrostatischen Feldes erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der mehrsträngige Leiter (50) eine Vielzahl von Kohlenstofffasersträngen umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der mehrsträngige Leiter (50) durch einen leitenden Kleber (48) an der Sensorelektrode (34) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der mehrsträngige Leiter (50) an der Sensorelektrode (34) durch einen mit einem leitenden Material beschichteten halbleitenden Kleber (48) befestigt ist, um elektrischen Kontakt zwischen der Sensorelektrode (34) und dem mehrsträngigen Leiter (50) zu schaffen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Sensorelektrode (34) eine geschirmte Elektrode ist, welche umfasst:

ein leitende Elektrode (134); und

einen leitenden Schirm (136), der größer als die leitende Elektrode und von dieser durch eine antistatische Schicht (138) isoliert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die antistatische Schicht (138):

einen elektrisch isolierenden Innenkern; und

eine antistatische Beschichtungslage umfasst, welche alle freigeliegenden Oberflächen derselben bedeckt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die geschirmte Sensorelektrode (34) weiter eine isolierende Schicht (140) umfasst, die die leitende Schicht (136) von dem vibrierenden Waagebalkenelement (323) beabstandet hält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Hochspannungssignal-Verarbeitungsschaltung (80) umfasst:

eine zum Erzeugen eines ersten Potentials mit der gleichen Polarität wie der des elektrostatischen Potentials und einer höheren Größe als der des elektrostatischen Potentials ausgelegte Hochspannungsquelle (HV);

durch die Hochspannungsquelle (HV) mit Leistung versorgtes Pegelschiebemittel (90) zum Verschieben des Pegels des durch die Sensorelektrode (34) erzeugten Ausgabesignals, um so das Ausgangssignal mit Erdpotential in Beziehung zu setzen, und zum Erzeugen eines ersten Signals (ILS) in Reaktion auf das auf Erdpotential bezogene Ausgangssignal; und

zum Aufnehmen des ersten Signals (ILS) von dem Pegelschiebemittel (90) angeschlossenes Mittel (100), um das erste Signal in das Niederspannungssignal (V) zu wandeln, wobei das Niederspannungssignal (V) auf Erdpotential bezogen ist, und die Größe der Abweichung des Niederspannungssignals von dem Erdpotential proportional zu dem elektrostatischen Potential an der Oberfläche ist.