JP4143420B2 - 静電容量型位置センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、1対の可動物体の相対位置に応じて変動する出力静電容量を生じるように構成された、静電容量型の位置センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
静電容量を利用した、2つの物体間の相対位置の測定は、広く知られている。位置を検知する方法の1つには、互いに移動する物体に2つの導電性プレートを固定することが必要とされる。プレートは、一般に、互いに重なり合って、平行をなし、ギャップによって間隔が設けられるように、物体に固定される。2つのプレートは、介在する誘電体(例えば、空気)と共に、プレートが互いに重なり合う程度に応じて決まる静電容量を発生する。物体が移動すると、重なり合う量が変化し、その結果、静電容量に対応する変化が生じることになる。この静電容量の変化から、物体間の相対変位量が求められる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記アプローチに関する問題の1つは、さまざまな要因が、ある特定の静電容量変化に影響を及ぼす可能性があるという点である。x−y平面に対して平行な1対の導電性プレートを備えた、x−y−z直線座標系を仮定すると、静電容量の変動は、座標軸の3つ全てに沿ったプレート間に発生する相対並進から生じることになる。しかし、上述の単純なシステムを含む多くの位置検知システムは、ある軸に沿って発生する移動から生じる静電容量の変化と、別の軸に沿って発生する移動による静電容量の変化を見分けることができない。
【0004】
上述の問題は、極小のコンピュータ記憶装置のような、あるタイプのマイクロ電気機械式システム(MEMS)においてとりわけ問題になる。こうした記憶装置には、関連読み取り/書き込み装置に対してx−y平面内で移動するように設計された記憶媒体を含むものもある。媒体に正確にアクセスし、データを書き込むためには、記憶媒体と読み取り/書き込み装置の正確な相対位置を知らなければならない。これらの装置に用いられる静電駆動機構及び他の作動機構は、一般に、x−y移動を生じさせるのに有効であるが、付随してz軸移動を生じさせる場合もある。上述の従来式の静電容量型の位置検知システムは、上述の理由から、こうした付随するz軸移動の場合に、エラーを含む位置読み取りを生じる可能性がある。この結果、とりわけ、間違ったデータが読み取られたり、あるいは、既存のデータの偶発的な上書きが行われたりする可能性がある。
【0005】
既存の静電容量型の位置センサに関するもう1つの問題は、制限された感度である。とりわけ、マイクロ記憶装置及び他のMEMSシステムの場合、用いられる位置センサによって、所定の位置変化の関数として大幅に変動する出力が得られるのが望ましい。記憶装置によっては、何分の1ナノメートルかの単位で位置を測定しなければならない場合もある。多くの既存のセンサは、簡単に言えば、そうした精密な分解能で位置を測定するのに適した出力を生じるのに十分な感度を備えていない。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ある軸に沿った相対移動のある有効範囲にわたって、互いに移動可能な1対の物体を備える可動システムに関連して用いられる位置センサが得られる。位置センサは、静電容量型であり、軸に対して平行をなすように、物体の一方に固定された第1のプレートを含んでいる。位置センサには、隣接して、同一平面上に位置するように、また、物体が、軸に沿って互いに移動する際、第1のプレートから間隔をあけ、それに対し平行をなすように、物体のもう一方に固定された1対の第2のプレートも含まれている。第1のプレート及び第2のプレートは、物体が軸に沿った有効範囲内で互いに移動すると、静電容量が変動する、2つの間隔をあけた平板コンデンサを形成するように構成されている。位置センサは、静電容量を利用して、軸に沿った物体の相対位置の測定に利用可能な出力を発生するように構成されている。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明は、静電容量型の位置センサを対象にしたものである。本明細書に解説の位置センサの実施態様は、さまざまな設定に利用可能であるが、極小のコンピュータ記憶装置及び他のMEMSシステムに利用する場合にとりわけ有利であることが立証されている。ただ例証だけを目的として、後述の位置センサは、主として高密度MEMSコンピュータ記憶装置に関連して論じられることになる。
【0008】
図1及び2には、それぞれ、本発明による位置センサを利用することが可能な記憶装置100の側断面図及び水平断面図が示されている。記憶装置100には、102及び104のようないくつかの電界エミッタ、108のようないくつかの記憶領域を備えた記憶媒体106、及び、電界エミッタに対する記憶媒体106の走査(移動)、または、その逆を実施させるマイクロアクチュエータ110が含まれている。記憶装置100は、各記憶領域が1ビットまたは多ビットの情報の記憶を担当するように構成される。
【0009】
電界エミッタは、極めて鋭いポイントを備えたポイント・エミッタとして構成される。例えば、各電界エミッタは、約1ナノメートルから数百ナノメートルの曲率半径を備える。動作中、エミッタ102とエミッタ102を包囲する円形ゲート103のような、電界エミッタとその対応するゲートの間に、あらかじめ選択された電位差が印加される。エミッタの鋭いポイントのため、電子ビーム電流がエミッタから引き出され、高い精度で、記憶領域に向けて送られる。エミッタと記憶媒体106間の距離、エミッタのタイプ、及び、必要なスポット・サイズ(ビット・サイズ)に応じて、電子光学装置は、電子ビームの集束が要求される場合がある。電界放出される電子の加速または減速のため、あるいは、電界放出される電子の集束を補助するため、記憶媒体106に電圧を印加してもよい。
【0010】
ケーシング120は、一般に、少なくとも10−5トルといった部分真空状態に記憶媒体106を維持するのに適している。研究者は、半導体処理技法を利用して、真空空洞内でマイクロ加工された電界エミッタを製作した。例えば、1992年のIEEE Transactions on Components,Hybrid and Manufacturing Technology,15,1051ページに発表された、Jonesによる「Silicon Field Emission Transistors and Diodes」を参照されたい。
【0011】
各電界エミッタは、記憶媒体106に設けられた1つ以上の記憶領域に対応する。各電界エミッタがいくつかの記憶領域を担当する場合、記憶装置100は、一般に、ケーシング120(従って、電界エミッタ)と記憶媒体106の間における走査または別様の相対移動を実施するのに適している。例えば、マイクロアクチュエータ110は、一般に、媒体106のさまざまな位置への走査に適応するので、各電界エミッタは、さまざまな記憶領域上に位置決めされることになる。こうした構成によれば、マイクロアクチュエータ110を利用して、記憶媒体に対する電界エミッタ・アレイ(一般には2次元)の走査を実施することが可能になる。記憶媒体106は、ケーシング120に対して移動するので、「ムーバ」と呼ばれる場合もある。これに対し、ケーシング120及びケーシングに対して固定された他の各種コンポーネント(例えば、電界エミッタ)は、「ステータ」と呼ばれる場合もある。
【0012】
電界エミッタは、一般に、それが生じる電子ビームによって、記憶領域に情報の読み取り及び書き込みを行うように構成されている。従って、記憶媒体100に用いるのに適した電界エミッタは、記憶媒体106に所望のビット密度を実現するのに十分なほど細い電子ビ−ムを発生しなければならない。さらに、電界エミッタは、所望の読み取り/書き込み操作の実施に十分なパワー密度の電子ビームを発生しなければならない。こうした電界エミッタの製作には、さまざまな方法を利用することが可能である。例えば、1976年12月のJournal of Applied Physics,Vol.47,No.12に発表されたSpindtによる「Physical Properties of Thin−Film Field Emission Cathodes WithMolybdenum Cones」には、1つの方法が開示されている。1991年のTech.Digest 4th Int.Vaccum Microelectronics Conf.,Nagahama,Japan,26ページに発表されたBetsuiによる「Fabrication and Characteristics of Si Field Emitter Arrays」には、もう1つの方法が開示されている。こうしたエミッタは、フラット・パネル・ディスプレイのようなさまざまな用途において用いられ、成功を収めている。
【0013】
電界エミッタは、エミッタ・ピッチがx方向とy方向の両方において50マイクロメートルの、2次元アレイ(例えば、100×100エミッタ)として設けることが可能である。各エミッタは、数万〜数億の記憶領域におけるビットにアクセスすることが可能である。例えば、エミッタは、2次元アレイをなす記憶領域を備えた記憶媒体に対する走査(すなわち、移動)が可能であり、この場合、隣接記憶領域間の周期性は、何分の1ナノメートルから100ナノメートル以上までの間の値のいずれかであり、マイクロアクチュエータの有効範囲は、x方向及びy方向の両方において50ミクロンである。また、電界エミッタは、同時にまたは多重式にアドレス指定することが可能である。並列アドレス指定方式によれば、アクセス時間とデータ転送速度に関して、記憶装置100の性能を大幅に向上させることが可能になる。
【0014】
図3は、記憶領域の2次元アレイ及び電界エミッタの2次元アレイを表した、典型的な記憶媒体106の平面図である。記憶領域のアドレス指定には、外部回路要素(不図示)が利用される。図示のように、記憶媒体は、各行毎に、記憶領域108のようないくつかの記憶領域が含まれている、行140のような行をなすように分割するのが望ましい場合が多い。一般に、各エミッタは、いくつかの行を担当するが、それらの行の全長にわたって担当するわけではない。例えば、図示のように、エミッタ102は、行140〜142内で、列144〜146内の記憶領域を担当する。
【0015】
上記では、本発明による位置センサを用いることが可能な典型的な記憶装置が解説されている。その開示が、参考までに本明細書において援用されている、Gibson他に対する米国特許第5,557,596号には、このタイプの記憶装置の他の態様が開示されている。
【0016】
所望の記憶領域に対する読み取り及び書き込み操作を正確に実施するためには、マイクロアクチュエータ110の動作に関連して正確な位置検知及び制御を用いるのが望ましい場合が多い。従って、記憶装置100には、本発明による静電容量型の位置センサを設けることが可能である。図1には、こうした位置センサの1つが全体として160で表示されている。センサ160は、ムーバ106とステータ120の相対位置に応じて変動する1つ以上の静電容量値を出力する。
【0017】
図4〜16に関連して、位置センサのさまざまな実施例及び態様について解説することにする。図1及び2と同様、これらの図のいくつかは、x−y−z直線座標系内に描かれた対象の配向を示す添付のキャプションを備えている。キャプションは、わかりやすくすることだけを目的として含まれており、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。例えば、記憶媒体106は、主として、図1及び2に示すx−y平面内を移動する。従って、解説される位置センサは、記憶装置100に用いられる場合、一般に、x−y平面内における記憶媒体の位置を検知するように設計されている。しかし、位置センサが、図1及び2に示す任意に定められたx−y平面以外の平面を含む、多くの異なる所望の方向における移動の検知に利用可能であることは明白である。
【0018】
図4〜8には、本発明による位置センサ162のさまざまな態様が描かれている。図4〜7に示すように、センサ162には、M1プレート166及び168を備えたM1プレート・アセンブリ164、M2プレート172及び174を備えたM2プレート・アセンブリ170、及び、S1プレート178及び180を備えたS1プレート・アセンブリ176を含む、それぞれ、1つ以上のプレートを備えた、いくつかのプレート・アセンブリを含むことが可能である。
【0019】
M1及びM2プレート・アセンブリは、記憶媒体106(図1及び2)にしっかりと固定することが可能であり、描かれた例において、記憶媒体106及びM1及びM2プレートがケーシング120に対して移動可能であるため、文字「M」で表示されている。一般に、図4に示すように、M1プレートは、全て、電気的に相互接続されており、M2プレートは、全て、電気的に相互接続されている。隣接するM1プレートとM2プレートの間には、絶縁ギャップ182が設けられていて、M1プレート・アセンブリとM2プレート・アセンブリは、互いに絶縁されている。
【0020】
S1プレート・アセンブリ176及びそのプレートは、一般に、ケーシング120に対して固定されているので、文字「S」で表示されている。図示のように、S1プレート178及び180は、一般に、電気的に相互接続されている。描かれているプレートの電気的相互接続及び特性については、さらに詳細に後述する。
【0021】
図5〜7において最もよく分かるように、M1プレート166及び168は、記憶媒体106(すなわち、ムーバ)の下側に固定することが可能である。すなわち、図5〜7に示すように、M1プレートは、記憶媒体のエッジに向かって設けられた1つ以上の結合ブロックに対して固定することが可能である。描かれた記憶装置の場合、2組の結合ブロックが存在する。x軸結合ブロック106a及び106bは、記憶媒体106の上側及び下側に沿ってx方向に延び、y軸結合ブロック106c及び106dは、記憶媒体の左側及び右側に沿ってy方向に延びている。x軸結合ブロック106a及び106bは、x軸に沿って移動する際、記憶媒体と共に移動するが、y軸に沿って移動する際には、記憶媒体と共に移動することはない。換言すれば、結合ブロック106a及び106bは、x軸移動のためには、記憶媒体106に対して固定されるが、y軸移動のためには、記憶媒体106から独立している。y軸結合ブロック106c及び106dは、同様であるが、逆に働く:すなわち、y軸移動のためには記憶媒体に対して固定されるが、x軸移動のためには、記憶媒体から独立している。2001年5月31日に提出されたPeter G.Hartwell及びDonald J.Fasenの「Flexture Coupling Block for Motion Sensor」と題する米国特許第09/867,667号、及び、2001年5月31日に提出されたPeter G.Hartwell及びDonald J.Fasenの「Three−Axis Motion Sensor」と題する米国特許第09/867,666号には、こうした結合ブロックの利用についての記載がある。従って、本明細書では、結合ブロックに関するこれ以上の説明を控えることにする。
【0022】
当業者には明らかなように、位置センサ162のM1及びM2プレート・アセンブリは、記憶媒体106の本体に、結合ブロックを介して有効に固定する代わりに、直接固定することが可能である。S1プレートは、一般に、M1及びM2プレートに向かい合うように、ケーシング120(すなわち、ステータ)にしっかり固定されるか、または、その内部に取り付けられる。
【0023】
図5〜7において最もよく分かるように、M1、M2、及び、S1プレートは、一般に、ムーバ106及びステータ120に対してかなり薄い平面構造である。プレートは、半導体製作技法または他の適合する製造方法を利用してムーバ及びステータ上に被着させるか、または、別様に固定することが可能である。図示のように、M1及びM2プレート・アセンブリは、一般に、互いに隣接して、同一平面上に位置し、絶縁ギャップ182によって離隔されるように、記憶媒体106に固定される。M2プレートと同一平面上に位置するだけではなく、各M1プレートは、一般に、他のM1プレートの全てとも同一平面上に位置している。例えば、図4の場合、4つのM1及びM2プレートは、全て、同一平面上にあるので、全体として、断続的なギャップ(例えば、絶縁ギャップ182)を備える平面の広がりを形成している。図5〜7から明らかなように、この広がりは、下方のS1プレート及びステータ120に面している。一般に、S1プレートも、全て、互いに同一平面上にある。
【0024】
ムーバ106及びステータ120は、通常、並進移動だけしかしないように(非回転の意味)、互いに移動可能である。従って、S1プレート178および180は、ムーバ106が、ステータ120に対して移動する際、M1プレート166及び168に対し、及び、M2プレート172及び174に対して平行のままである。ムーバとステータの間にz軸移動が生じる場合、S1プレートと、M1及びM2プレートを含む平面との間の垂直ギャップは、変動するが、S1プレートは、一般に、M1及びM2プレートに対して平行のままである。
【0025】
図5〜7には、ムーバ106とステータ120の間に生じる可能性のある相対x軸移動が描かれている。図5にはそのx軸移動の有効範囲の一方の極端にあるムーバ106が描かれており;図7にはもう一方の極端にあるムーバが描かれており;図6には、中間位置にあるムーバが描かれている。これらの図において明らかなように、S1プレート178とM1プレート166の間、及び、S1プレート178とM2プレート172の間に生じる重なり部分は、ムーバがx軸移動のその有効範囲の両極端間を移動するにつれて変動する。「重なり部分」はある特定の対をなす向かい合ったプレートが重なり合う領域を表している。例えば、図4には、図6に示す中間位置と同様に、S1プレートに対する中間位置(すなわち、その有効移動範囲の両端間のどこか)にある、全て、ムーバ106に対して固定された、M1及びM2プレートが描かれている。この時点において、M1プレート166は、W(M1プレートのy軸幅)のxpo(x軸の重なり量)倍だけS1プレート178と重なり合っている。図4〜7から明らかなように、重なり部分は、プレート間に生じる相対x軸変位の関数として変動し、この相対x軸変位は、さらに、ムーバ106とステータ120の間で生じる相対x軸移動の結果として生じる。
【0026】
S1プレートとM1及びM2プレートとのスペースは、空気のような誘電体によって占められており、従って、当業者には明らかなように、それぞれのプレート間には静電容量が生じることになる。これらの静電容量は、ムーバ106がステータ120に対して移動するにつれて変動する。
【0027】
図8には、静電容量測定回路190に含まれている、図4〜7に示すそれぞれのプレートによって形成される静電容量が描かれている。回路190には、M1プレート・アセンブリ(M1プレート166及び168)とS1プレート・アセンブリ(S1プレート178及び180)によって形成された第1の可変コンデンサ192が含まれている。コンデンサ192の回路記号において矢印で表示のように、可変コンデンサ192の静電容量は、ムーバ106が、図5に示す位置から図7に示す位置に、ステータ120に対して正のx方向に移動するにつれて増大する。この静電容量の増大は、M1プレートとS1プレートの重なり部分の増大に起因するものである。回路190には、M2プレート・アセンブリ(M2プレート172及び174)とS1プレート・アセンブリ(S1プレート178及び180)によって形成される第2の可変コンデンサ194も含まれている。下方に向いた矢印は、可変コンデンサ194の静電容量が、ムーバ106が、図5に示す位置から図7に示す位置に、x軸の移動有効範囲にわたって、ステータ120に対して正のx方向に移動するにつれて減少することを表している。この静電容量の減少は、ムーバが前述の移動範囲を移動するにつれて、M2プレートとS1プレートの重なり部分が減少するためである。
【0028】
図4及び8において明らかなように、静電容量測定回路には、プレートに時変信号を加えるための1つまたは複数の信号源を含むことも可能である。これらの入力信号は、プレート間に存在する静電容量に基づく測定可能な出力信号を生じさせるために加えられる。描かれた実施態様の場合、正弦搬送波200が、M1プレート・アセンブリ(M1プレート166及び168)に加えられる。反転搬送波202が、M2プレート・アセンブリ170(M2プレート172及び174)に加えられる。正弦波入力を用いる場合、反転信号は、一般に、第1の信号の位相を180度シフトすることによって得られる。これらの時変信号を加えると、回路ノード204に出力が生じ、これを測定して、可変コンデンサ192及び194の静電容量を求めることが可能である。図8において明らかなように、この出力の測定方法の1つは、抵抗R1の電圧サンプリング抵抗器206によるものである。
【0029】
図4〜8に関連して解説の構成の重要な利点は、出力が、ムーバとステータの間に生じるx軸変位の関数としてのみ、かなりの程度に変動し、y軸及びz軸の相対変位には比較的反応を示さない。この直線成分の分離は、正確な位置検知に役立つ。当業者には明らかなように、1対の間隔をあけた平行なx−yプレート間に生じる静電容量は、重なり合う領域(x軸及びy軸の相対移動に応じて変動する)、及び、プレート間の垂直距離(z軸の相対移動に応じて変動する)の関数である。すなわち、静電容量C=(A*Eo)/Gであり、ここで、Aは、重なり領域であり、Eoは、自由空間の誘電率に対応する定数であり、Gは、2つのプレート間の垂直(z軸)間隔である。個々の直線成分を分離することができなければ、位置検知システムは、ある特定の静電容量の変化を生じる位置変化の性質に関する正確な情報を提供することができない。例えば、z軸変位の結果生じる静電容量の変化は、x軸変位による結果と誤って解釈される可能性がある。
【0030】
y軸移動の結果生じる静電容量の変化は、プレート間の重なり部分が、予測範囲のy軸移動によって変動しないようにプレートを構成することによって排除することが可能である。図4から明らかなように、S1プレート178及び180のそれぞれが、y方向においてM1及びM2プレートよりも広い。このオーバする量は、S1プレート・アセンブリとM1及びM2プレート・アセンブリのそれぞれとの間の重なり部分が、ムーバとステータ間に生じるy軸移動の予測範囲にわたって変化しないように選択することが可能である。さらに、上述のように、前出の結合ブロックの開示では、x軸結合ブロック106a及び106bは、一般に、ムーバ100のy軸移動に追随しないように設計されている。
【0031】
相対z軸移動の効果は、部分的には、可変コンデンサ192及び194に駆動信号200及び202を加えることによって抑圧されるか、排除される。当業者には明らかなように、M1プレート166、M2プレート172、及び、S1プレート178に関して、図8に示す静電容量測定回路によって、下記の伝達関数が得られる:
【0032】
【数1】
ここで、Voは、電圧サンプリング抵抗器206の両端で得られた出力であり、Vcは、非反転入力信号であり、Cxpは、可変コンデンサ192の静電容量であり、Cxnは、可変コンデンサ194の静電容量であり、P=1/(R1*(Cxn+Cxp))。
【0033】
Cxp=Ap*Eo/Gp及びCxn=An*Eo/Gnである点に留意されたい。ここで、Apは、M1プレート166とS1プレート178の間に生じる重なり領域であり、Gpは、M1プレート166とS1プレート178の間のz軸間隔であり、Anは、M2プレート172とS1プレート178の間に生じる重なり部分であり、Gnは、M2プレート172とS1プレート178の間のz軸間隔である。さらに、Ap(x)=W*(xpo+x)及びAn(x)=W*(xno+x)であるが、ここで、xは、S1プレート178に対するM1プレート166及びM2プレート172のx軸変位であり、Wは、M1プレート166及びM2プレート172のy軸に沿って測られた幅であり、xpoは、x=0の場合に(図4に示す位置を初期位置と仮定すると)、M1プレート166とS1プレート178の間に生じるx軸の初期重なり量であり、xnoは、x=0の場合に、M2プレート172とS1プレート178の間に生じるx軸の初期重なり量である。M1及びM2プレートが完全に同一平面上にあるものと仮定すると、両方とも、S1プレートから等間隔に位置するので、Gp=Gn=Gということになる。これらの値を上記伝達関数に代入すると、次のようになる:
【0034】
【数2】
この結果から明らかなように、1/G項は、利得項の分子及び分母から消去される。この消去後、残りの利得項は、プレート間の垂直間隔と完全に無関係になる。この結果、相対z移動が結果生じる出力に対してかなり影響を及ぼす要因であるとして抑圧されるので、出力は、可動物体間に生じるz軸移動とほぼ無関係になる。こうしてy軸及びz軸の相対移動に起因する影響を排除すると、図示のシステムによって、相対x軸移動が分離され、ほぼx軸成分だけに基づく出力が得るようになる。
【0035】
上記導出は、3つのプレート(すなわち、M1プレート166、M2プレート172、及び、S1プレート178)についてのみ実施されたが、上記結果、とりわけ、z軸の影響の排除は、図4に示す実施態様及び後述する他のさまざまな実施態様のような、より多くのプレートを必要とする拡張システムにも等しく有効に適用される。
【0036】
記憶装置100のような装置に関しては、2つ以上の軸に沿った移動検知を可能にするのが望ましい場合が多い。例えば、記憶装置100で正確な読み取り/及び書き込み操作を実施するためには、x−y平面内におけるケーシング120に対する記憶媒体106の位置を検知する必要がある。しかし、上述のように、図4〜8のセンサは、1方向における、すなわち、x軸に沿った位置変化だけを検知するように構成されている。2次元検知を実現するには、一般に、既述のものと同様のプレート・アセンブリをy軸結合ブロック106c及び106dの一方または両方に(または、記憶媒体106に直接)、及び、ステータの120の対応する位置に固定することによって、図4〜8で論じたものと同様の追加構造をy軸移動に利用することが可能である。この2次元構成によれば、x軸センサによって、x軸検知を行い、同時に、y軸及びz軸の影響を抑圧することが可能になり、y軸センサによって、y軸検知を行い、同時に、x軸及びz軸の影響を抑圧することが可能になる。この結果、x−y平面内における正確な検知が可能になり、同時に、相対z軸変位のために多くの既存のセンサに生じることになる検知エラーが回避される。本明細書に記載の他の実施態様には、同様に、2つ以上の直線軸に沿った位置検知を可能にするように構成することが可能なものもある。
【0037】
直線移動成分を分離するだけではなく、本発明の位置センサは、高感度で、高分解能の位置検知を行えるように構成することが可能である。実際、感度の向上は、図4に示す実施態様の利点の1つである。2つのM1プレート及び2つのS1プレートが利用されるので、ある特定のx変位量に関してM1プレートとS1プレートの間に生じる重なり部分は、同じサイズの1対の重なり合うプレートに生じるものより大きくなる。従って、同じ量のx変位に関して、より大きい容量変化が生じることになる。この結果、x軸の位置変化をより高い分解能で監視することが可能になるので、位置検知感度が高くなる。高分解能の位置検知は、上述の記憶装置のようなMEMS用途においてとりわけ重要である。このタイプの記憶装置の場合、適正な記憶場所に対するデータの正確な読み取り及び書き込み及び既存のデータに対する誤った上書きを回避するには、高分解能で正確な位置制御が必要になる。
【0038】
図9〜13には、本発明による位置検知システム210のもう1つの実施態様に関するさまざまな態様が描かれている。位置検知システム210には、前述のM1及びM2プレートと同様にムーバに対して固定することが可能な2つのM1プレート214及び216と、M2プレート220が含まれている。システム210には、ステータ120に固定することが可能なS1プレート222及びS2プレート226も含まれている。図10ないし12には、図5〜7と同様に、プレートが固定されている物体(例えば、ムーバ106及びステータ120)のx軸の有効範囲にわたる移動による、S1及びS2プレートに対するM1及びM2プレートの相対移動が示されている。先行図と同様、図10には、x軸に沿ったステータに対するムーバの最も左の極端位置が示されており、図11には、中間状態が示されており、図12には、最も右の極端位置が示されている。
【0039】
当業者には明らかなように、上記構成によれば、図13の回路図に示すように4つの可変コンデンサが得られる:(1)コンデンサ240は、M1プレート214とS1プレート222の間に形成され、正のx軸変位に応じて値が増大する;(2)コンデンサ242は、M2プレート220とS1プレート222の間に形成され、正のx軸変位に応じて値が減少する;(3)コンデンサ244は、M1レート216とS2プレート226の間に形成され、正のx軸変位に応じて値が減少する;(4)コンデンサ246は、M2プレート216とS2プレート226の間に形成され、正のx軸変位に応じて値が増大する。
【0040】
前述のように、測定可能な出力が得られるようにするため、M1及びM2プレートに、それぞれ、正弦搬送波250及びその反転搬送波252を加えることが可能である(図9と13)。逆に変動する静電容量に結合される、この駆動信号の利用によって、ムーバ106とステータ120との間に生じるz軸移動にほぼ(または完全に)左右されない出力をS1及びS2端子(254及び256)に生じるシステムが得られる。これは、図4〜8に関連して上述の導出と同様、伝達関数に分析を加えることによって確認することが可能である。S1及びS2出力は、一般に、M1−S2静電容量(すなわち、M1プレート216とS2プレート226の間に発生する静電容量)が減少すると、M1−S1静電容量(すなわち、M1プレート214とS1プレート222の間に発生する静電容量)が増大するという事実、及び、その逆の事実のため、後続処理の前に、取り除かれる。
【0041】
図14〜16には、本発明による位置検知システム260のもう1つの実施態様に関するさまざまな態様が描かれている。システム260には、電気的に相互結合されて、M1プレート・アセンブリを形成する複数M1プレート262が含まれている(それぞれのM1プレート間の電気的相互接続は、示されていないが、一般には、先行実施態様に示すものと同様である)。システム260には、電気的に相互に結合されて、M2プレート・アセンブリを形成する複数M2プレート264もまた含まれている。M1及びM2プレート・アセンブリは、ムーバ106のような可動装置に固定することが可能であり、一般には、図14及び15に示すように、M1及びM2プレートが、全て、同一平面上にあって、交互位置につくように構成される。
【0042】
システム260には、さらに、電気的に相互結合されたS1プレート266を備えるS1プレート・アセンブリと、電気的に相互結合されたS2プレート268を備えるS2プレート・アセンブリを含むことも可能である。M1及びM2プレート・アセンブリの場合と同様、S1及びS2プレートは、一般に、同一平面上にあって、S1プレートとS2プレートが交互位置につくように構成される。S1及びS2プレート・アセンブリは、M1及びM2アセンブリが固定される装置に対して移動可能な、ステータ120のような別の装置に固定される。
【0043】
先行実施態様の場合と同様、この解説の構成によれば、プレート・アセンブリが互いに移動すると、値の変動する可変コンデンサが得られる。すなわち、図示の構成によれば、図13に示すものと同様の可変コンデンサが得られる:(1)M1プレート262とS1プレート266の間のコンデンサ、(2)M2プレート264とS1プレート266の間のコンデンサ、(3)M1プレート262とS2プレート268の間のコンデンサ、及び、(4)M2プレート264とS2プレート268の間のコンデンサ。
【0044】
一般に、正弦波信号280及びその反転信号282は、それぞれ、先行実施態様の解説と同じく、M1及びM2プレート・アセンブリに加えられる。正弦波信号を加えると、それぞれ、S1及びS2プレート・アセンブリに接続された出力端子において測定可能な変動静電容量に基づく出力が得られる。従って、図13には、図14及び15に示すシステムが正確にモデル化されている。
【0045】
図9及び14に示すシステムは、同じ回路図(例えば、図13)を用いて解説することができるが、有効移動範囲が異なる結果として、異なる出力を生じることになる。例えば、図10〜12に示すように、ある特定のM1プレート(例えば、M1プレート214)だけが、それ自体のx軸幅にほぼ等しい距離だけ、ステータに120に対して移動する。従って、M1プレート214が、その最も左の極端(図10)からその最も右の極端(図12)まで移動すると、それとS1プレート222との重なり部分(及び結果生じる静電容量)が、最小値から最大値まで増大する。
【0046】
これに対し、図14及び15に示すシステムの場合、x軸の有効移動範囲は、一般に、図示の典型的なx軸移動範囲281によって明らかなように、ある特定のプレート幅の何倍にもなる。従って、ムーバ106がその範囲の一方の端部からもう一方の端部まで移動すると、任意の特定のM1またはM2プレートが、順次、S1プレート、S2プレート、もう1つのS1プレート、もう1つのS2プレート、もう1つのS1プレート...の上を通過することになる。この構成の場合、上述の4つの可変コンデンサに関連した4つの重なり合う領域がある。すなわち、重なり部分が、(1)M1プレート・アセンブリとS1プレート・アセンブリの間、(2)M2プレート・アセンブリとS1プレート・アセンブリの間、(3)M1プレート・アセンブリとS2プレート・アセンブリの間、及び、(4)M2プレート・アセンブリとS2プレート・アセンブリの間に生じる。4つの重なり合う領域は、それぞれ、物体がx軸の有効移動範囲にわたって互いに移動する際、ある回数にわたって、最大値と最小値の間で量的に循環する。x軸変位の関数として、これらの領域の各特定の1つが、最大量と最小量の間で線形に変動する。
【0047】
グラフでは、4つの領域のそれぞれに関するx軸変位の関数として重なり合う領域は、三角波形のように見える。これらの波形の周期は、プレートのある特定の1つの幅に、そのプレートとそれにすぐ隣接した近傍プレートの1つとの間の比較的わずかなギャップを加えた値を含む、隣接プレート間のピッチWに等しい。一般に、図14及び15に示すように、システム260は、プレート幅と交互に位置するギャップの全てが均一になるように構成されている。
【0048】
有効移動範囲にわたって生じる循環重なり部分によって、図16に示す出力静電容量波で表された循環静電容量が得られる。すなわち、図示の出力は、プレート・アセンブリ間に発生するM1−S1、M2−S1、M2−S2、及び、M1−S2静電容量に対応する。静電容量は、重なり領域に応じて線形に変動するが、描かれた波形は、重なり領域の関数のような三角形ではない。それどころか、図示のように、波形は、フリンジング(fringing)及び他の効果のためにより正弦波らしく見える。これらの波形の周期は、2Wすなわちプレート・ピッチ幅の2倍である。
【0049】
図4〜8に関して上述の伝達関数を図14及び15に示す循環システムに適用すると、相対的z軸移動による出力への影響は、一般に、完全に抑圧されるか、少なくとも、無視できる量まで減少する。従って、図16に示す出力静電容量は、移動物体間に生じる可能性のある偶発的なz軸移動とは無関係に、x軸位置(及び、図示構成がy軸に用いられる場合には、y軸位置)の正確な検知に利用することが可能である。
【0050】
図14及び15に示すシステムの重要な利点は、感度の向上である。再度図4を参照し、描かれたx軸の有効移動範囲が、50マイクロメートルであると仮定する。さらに、M1プレート166及び168とS1プレート178及び180との重なりから生じる全静電容量が、この移動範囲において50ピコファラッドから100ピコファラッドまで変動するものと仮定する。x軸変位当りの容量変化は、1ピコファラッド/マイクロメートルになるであろう。
【0051】
次に、図14及び15のシステムを参照し、同じ50マイクロメートルの有効範囲であるが、それぞれのプレートが、例えば、1/100のサイズといったように、図4に示すプレートよりかなり小さいものと仮定する。さらに、M1プレート262とS1プレート266の間に生じる最大の全重なり量において発生する静電容量が、やはり、100ピコファラッドであり、最小の重なり量において、50ピコファラッドであると仮定する。ムーバがx=0マイクロメートルから50マイクロメートルまで移動すると、M1プレート・アセンブリとS1プレート・アセンブリの間の全静電容量は、100回にわたって、50ピコファラッドと100ピコファラッドの間で循環することになる。この例の場合、「循環」構成によって、1マイクロメートルの変位毎に100ピコファラッドの容量変化、すなわち、位置変化に対する感度がはるかに高い出力が生じることになる。
【0052】
上述の開示には、独自の有用性を備えた複数の別個の発明が包含されるものと確信している。これらの発明は、それぞれ、その望ましい形態で開示されたが、本明細書に開示され、図解されたその特定の実施態様は、多様な変更が可能であるため、制限を意味するものとみなすべきではない。本発明の内容には、本明細書に開示されたさまざまな要素、特徴、機能、及び/または、特性の新規で、自明ではない組み合わせ及び副組み合わせの全てが含まれる。同様に、請求項において、「ある」または「第1の」要素またはその同等物に言及する場合、こうした請求項には、1つ以上のこうした要素を組み込むことが含まれるものと理解すべきであり、2つ以上のこうした要素を必要とするわけでも、あるいは、排除するわけでもない。
【0053】
付属の請求項では、とりわけ、開示の発明の1つを対象とした、新規で、自明ではないいくつかの組み合わせ及び副組み合わせが指摘されているものと確信する。特徴、機能、要素、及び/または、特性の他の組み合わせ及び副組み合わせによって実現される発明は、本出願または関連出願における本請求項の補正または新規請求項の提示によって請求することが可能である。こうした補正または新規請求項は、異なる発明を対象としたものであろうと、同じ発明を対象としたものであろうと関係なく、また、もとの請求項と範囲が異なるか、より広いか、より狭いか、あるいは、等しいかに関係なく、やはり、本開示の発明の内容に含まれるものとみなされる。
【0054】
なお、この発明は例として次の実施態様を含む。丸括弧内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
【0055】
[1] 静電容量型の位置検知を行う可動システムにおいて、
1対の物体(106、120)と、
ある軸に沿ってある有効範囲にわたる物体(106、120)間の相対移動を実施するように構成されたアクチュエータと、
前記物体(106、120)の一方に固定された第1のプレート(178、180,222、226、266、268)、及び、隣接して、同一平面上に位置するように、また、前記物体が前記軸に沿って互いに移動する際、前記第1のプレート(178、180、222、226、266,268)から間隔をあけ、それに対し平行をなすように、前記物体(106、120)のもう一方に固定されている1対の第2のプレート(166、168、172、174、214、216、220、262、264)を有する静電容量型の位置センサ(160、162、210、260)と、
を備え、
前記第1のプレート(178、180、222、226、266,268)と前記第2のプレート(166、168、172、174、214、216、220、262、264)の構成によって、前記物体(106、120)が前記軸に沿った前記有効範囲内で互いに移動すると静電容量が変動する2つの間隔をあけた平板コンデンサ(192、194、240、242、244、246)が形成され、
前記静電容量型の位置センサ(160、162、210、260)が、前記静電容量を利用して、前記軸に沿った前記物体の相対位置を測定するために利用可能な出力を発生する、
ことを特徴とする可動システム。
【0056】
[2] 上記[1]に記載の可動システムにおいて、
前記1対の第2のプレート(166、168、172、174、214、216、220、262、264)の一方に時変入力信号(200)を加え、前記1対の第2のプレートのもう一方に前記時変入力信号の反転信号(202)を加えるように構成された静電容量測定回路(190、図3)をさらに備えたことを特徴とするもの。
【0057】
[3] 上記[1]に記載の可動システムにおいて、
前記コンデンサ(192、194、240、242、244、246)が、前記1対の物体(106、120)が互いに移動する結果として、前記第1のプレート(178、180、222、226、266,268)と前記第2のプレート(166、168、172、174、214、216、220、262、264)の間に生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されない、出力・入力伝達関数を有する静電容量測定回路(190、図3)の一部を形成することを特徴とするもの。
【0058】
[4] 静電容量型の位置検知を行う可動システムにおいて、
x軸に沿ったある有効範囲のx軸移動、及び、x軸に対して垂直なz軸に沿ったある有効範囲のz軸移動によって、互いに並進移動可能な1対の物体(106、120)と、
前記物体(106、120)の一方に固定された第1のプレート(178、180,222、226、266、268)、及び、前記物体のもう一方に固定されている1対の第2のプレート(166、168、172、174、214、216、220、262、264)を有する静電容量型の位置センサ(160、162、210、260)と、
を備え、
前記第1のプレートと前記第2のプレートが、z軸に対して垂直であり、
前記第1のプレートが、前記第2のプレートのそれぞれと共に、前記物体がx軸移動及びz軸移動の前記有効範囲にわたって移動すると、前記第1のプレートと前記第2のプレートのそれぞれとの重なり及び間隔の変動のために変動する、可変静電容量(192、194、240、242、244、246)を形成し、前記可変静電容量が、前記物体が、z軸移動の有効範囲にわたって互いに移動する結果として、前記第1のプレートと前記第2のプレートの間に生じる間隔変動にほとんど左右されない、出力・入力伝達関数を有する回路の一部を形成する、
ことを特徴とする可動システム。
【0059】
[5] ある軸に沿った1対の物体(106、120)間の相対位置の変化に基づいて変動する静電容量を出力するセンサ(160、162、210、260)において、
前記物体(106、120)の一方に固定された第1のプレート(178、180,222、226、266、268)と、
隣接して、同一平面上に位置するように、また、前記物体が、前記軸に沿って互いに移動する際、前記第1のプレートから間隔をあけ、それに対し平行をなすように、前記物体(106、120)のもう一方に固定されている1対の第2のプレート(166、168、172、174、214、216、220、262、264)と、
を備え、
前記第1のプレートと前記第2のプレートの構成によって、前記物体(106、120)が前記軸に沿って互いに移動すると、静電容量が変動する2つの間隔をあけた平板コンデンサ(192、194、240、242、244、246)が形成され、
前記センサ(160、162、210、260)が、前記静電容量を利用して、前記軸に沿った前記物体の相対位置を測定するために利用可能な出力を発生することを特徴とするセンサ。
【0060】
[6] 1つの物体(106、120)間の相対位置の変化に基づいて変化する静電容量を出力するセンサ(260)において、
前記物体(106、120)の一方に固定されるように構成され、第1のプレートを含む、第1のプレート・アセンブリ(262,264)と、
前記物体(106,120)のもう一方に固定されるように構成され、第2のプレートを含む第2のプレート・アセンブリ(266)及び第3のプレートを含む第3のプレート・アセンブリ(268)と、
を備え、
前記プレート・アセンブリ(262、264、266、268)が、前記物体がある軸に沿った有効範囲にわたって互いに並進すると、前記第1のプレートと前記第2のプレート間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレート間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成されており、これによって、第1のプレート・アセンブリが、前記第2及び第3のプレート・アセンブリのそれぞれと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変動する可変コンデンサ(192、194、240、242、244、246)を形成する、
ことを特徴とするセンサ(260)。
【0061】
[7] 上記[6]に記載のセンサ(260)において、
前記可変コンデンサ(192、194、240、242、244、246)が、前記プレート・アセンブリ(262、264、266、268)の少なくとも1つに加えられる入力に応答して、前記第1のプレートと前記第2のプレート間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレート間の静電容量に基づく出力を生じるように構成された、静電容量測定回路(190、図3)の一部を形成していることを特徴とするもの。
【0062】
[8] 上記[7]に記載のセンサ(260)において、
前記静電容量測定回路(190、図3)が、出力が、前記第1のプレートと前記第2のプレートの間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレートの間に生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されないように構成されていることを特徴とするもの。
【0063】
[9] 上記[7]に記載のセンサ(260)において、
静電容量測定回路(190)が、出力を生じるため、前記第2のプレート・アセンブリに時変入力信号(200)を加え、前記第3のプレート・アセンブリに時変入力信号の反転信号(202)を加えるように構成されていることを特徴とするもの。
【0064】
[10] 静電容量型の位置検知を行う可動システムにおいて、
一対の物体(106,120)と、
前記物体(106、120)の一方に固定されるように構成され、第1のプレートを含む、第1のプレート・アセンブリ(262、264)と、
前記物体(106,120)のもう一方に固定されるように構成され、第2のプレートを含む第2のプレート・アセンブリ(266)及び第3のプレートを含む第3のプレート・アセンブリ(268)が含まれており、
前記プレート・アセンブリ(262、264、266、268)が、前記物体(106、120)がある軸に沿った有効範囲にわたって互いに並進すると、前記第1のプレートと前記第2のプレート間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレート間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成されており、これによって、第1のプレート・アセンブリが、前記第2及び第3のプレート・アセンブリのそれぞれと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変動する可変コンデンサ(192、194、240、242、244、246)を形成するようになっていることを特徴とする可動システム。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施態様の1つによる静電容量型の位置センサを含むコンピュータ記憶装置を示した図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】記憶媒体の平面図である。
【図4】本発明による静電容量型の位置センサの平面図である。
【図5】x軸移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図4の位置センサの位置を表した側面図である。
【図6】同じくx軸移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図4の位置センサの位置を表した側面図である。
【図7】同じくx軸移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図4の位置センサの位置を表した側面図である。
【図8】図4〜7に示す位置センサの回路モデルを表した図である。
【図9】本発明によるもう1つの静電容量型の位置センサの平面図である。
【図10】x移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図9の位置センサの諸部分を表した側面図である。
【図11】同じくx移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図9の位置センサの諸部分を表した側面図である。
【図12】同じくx移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図9の位置センサの諸部分を表した側面図である。
【図13】図9の位置センサの回路モデルを表した図である。
【図14】本発明によるさらにもう1つの位置センサの等角図である。
【図15】x軸移動範囲にわたって互いに移動する1対の物体に取り付けられた、図14の位置センサの諸部分を表した側面図である。
【図16】図14及び図15の位置センサのx軸変位の関数としての容量出力を示す波形図である。
【符号の説明】
106、120 物体
160、162 位置センサ
166,168、172、174 第2のプレート
178,180 第1のプレート
190 静電容量測定回路
192、194 平板コンデンサ
210 位置センサ
214、216,220 第2のプレート
222、226 第1のプレート
240、242,246 平板コンデンサ
260 位置センサ
262,264 第2のプレート
266、268 第1のプレート
Claims (5)
- 1対の物体間の相対位置の変化に基づいて変化する静電容量を出力するセンサにおいて、
前記物体の一方に固定されるように構成され、第1のプレートを含む、第1のプレート・アセンブリと、
前記物体のもう一方に固定されるように構成され、第2のプレートを含む第2のプレート・アセンブリ及び第3のプレートを含む第3のプレート・アセンブリと、
を備え、
前記プレート・アセンブリが、前記物体がある軸に沿った有効範囲にわたって互いに並進すると、前記第1のプレートと前記第2のプレート間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレート間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成されており、これによって、第1のプレート・アセンブリが、前記第2及び第3のプレート・アセンブリのそれぞれと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変動する可変コンデンサを形成する、
ことを特徴とするセンサ。 - 前記可変コンデンサが、前記プレート・アセンブリの少なくとも1つに加えられる入力に応答して、前記第1のプレートと前記第2のプレート間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレート間の静電容量に基づく出力を生じるように構成された、静電容量測定回路の一部を形成していることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
- 前記静電容量測定回路が、出力が、前記第1のプレートと前記第2のプレートの間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレートの間に生じる垂直方向の間隔変動にほとんど左右されないように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のセンサ。
- 静電容量測定回路が、出力を生じるため、前記第2のプレート・アセンブリに時変入力信号を加え、前記第3のプレート・アセンブリに時変入力信号の反転信号を加えるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載のセンサ。
- 静電容量型の位置検知を行う可動システムにおいて、
一対の物体と、
前記物体の一方に固定されるように構成され、第1のプレートを含む、第1のプレート・アセンブリと、
前記物体のもう一方に固定されるように構成され、第2のプレートを含む第2のプレート・アセンブリ及び第3のプレートを含む第3のプレート・アセンブリが含まれており、
前記プレート・アセンブリが、前記物体がある軸に沿った有効範囲にわたって互いに並進すると、前記第1のプレートと前記第2のプレート間、及び、前記第1のプレートと前記第3のプレート間の全重なり部分が、繰り返し増減するように構成されており、これによって、第1のプレート・アセンブリが、前記第2及び第3のプレート・アセンブリのそれぞれと共に、前記物体の相対位置に応じて静電容量の変動する可変コンデンサを形成するようになっていることを特徴とする可動システム。
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