专利名称：用于调谐电容器的光纤位置传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于自动感测一个诸如调谐电容器的可动极板的驱动元件的起始位置的设备。本发明更具体地涉及一个用于与高功率RF装置诸如等离子发生装置进行阻抗匹配的密封伺服调谐电容器。本发明还针对一个可调谐电容器，用于自动RF匹配网络，以便将一个反应等离子室或类似的非线性负载的阻抗与一RF发生器或类似RF源的一恒定阻抗(例如，50欧姆)输出匹配。
在一个典型的RF等离子发生器结构中，高功率RF源在预置频率、即13.56MHz产生一个RF波，并沿一个功率导管(power conduit)提供给一个等离子室。RF功率一般还在一个固定的已知阻抗、例如50欧姆被提供。因为在RF功率源和等离子室之间一般存在着严重的阻抗不匹配，所以在两者之间插入一个阻抗匹配网络。在等离子室中存在着非线性，使得为等离子工艺仅仅将阻抗匹配网络设置在固定位置变得很困难。由于这个原因，用一个或多个可变调谐电容器来调节线路阻抗，以便与负载阻抗匹配，并且这些是通过误差信号来控制的，其中误差信号可以由在阻抗匹配网络的输入端的所测量的RF波的振幅和相位导出。误差信号的相位和振幅驱动与可变调谐电容器相连的伺服电机，并在达到匹配条件时降至一个低电平或零电平。
一般采用昂贵的真空电容器用于此目的，其中电容器极板是密封在一个容器(canister)中的，带有一个通过一个刻有螺纹的导杆上下运动的引导轴，有一个刻有螺纹的螺帽固定在引导轴上，以连接导杆。在这些真空电容器中，当引导轴和螺帽处于完全收回(下部)的位置、即处于最接近行程一端的位置时，可动极板和固定极板是完全啮合的。随着引导轴上升，电容减小，在行程的另一端达到最小。
在机器运行开始时，伺服控制器建立调谐电容器的起始位置、然后通过例如伺服电机朝着合适的调谐条件移动电容器是非常关键的。起始位置一般是处于行程的一个端点，例如，固定和可动电容器极板完全啮合(最大电容)的位置。目前这是使用机电设备、例如微动开关来实现的，当电容器到达端点位置时，该微动开关打开以便向处理控制微处理器发出信号。在Planta等的美国专利No.5,590,015中披露了与机电端或限制开关结合的可变电容器的一个例子。在这个专利中，将限制开关结合进电容器组件。
近来提出的一种使用光纤来完成起始位置感测的方法是使用一对光纤，一个用于发射，一个用于接收。一个光纤被刚性固定在电容器外壳的适当位置上，而另一个连在可动电极引导轴上。随着电容器被驱动进入起始位置，光纤被对准，完成光路。这种提议缺乏任何故障保险能力，这是所不希望的。也就是说，光路是常断(OFF)的。在启动时，步进电机将驱动电容器朝向其起始位置，并将继续驱动电容器，直到光路指示导通(ON)。如果由于某些原因在光路中出现故障，例如光纤断开或未对准，或者光检测器出现故障，则电容器可以被驱动通过起始位置，会受到无法挽回的损害。
近来提出的应用光学装置实现位置感测的另一种建议采用一个第一光纤向电容器的调谐螺帽和引导轴发射光，采用一个第二光纤接收从电容器引导轴和调谐螺帽反射的光。在调谐螺帽和引导轴上的半反射表面允许在行程的正常操作范围内完成光路。光学路径在起始位置被打断，在此处调谐螺帽穿出光纤的视界，光线投射在引导轴的螺纹上。这种方法在正常操作期间提供了所需的常闭光路，一旦达到起始位置就断开。这种技术的成功取决于导杆的高度可变光衰减与从起始位置的引导轴反射回的光的不同。在光纤模块中所需的电子设备并不具有比现有技术的更简单的机械装置花费少的优势。
由过驱动通过端点限制而引起的问题需要二级机械硬件限制，例如，在Nebiker，Jr.的美国专利No.4,390,924中所示类型的能量吸收终点挡板。
本发明的一个目的是提供一种真空调谐电容器，该电容器能消除现有技术的缺陷，即自动找到调谐电容器的起始位置，并具有能显著降低过驱动通过起始位置的概率的故障保险特征。另一个目的是消除对起始位置的出厂后的机械调节或限制检测器的需要。
依据本发明的一个方面，为一个密封伺服类型的可变调谐电容器、例如真空电容器提供了光学终点或限制检测器。该电容器一般将其极板固定在密封的容器内。在这个容器内有一组固定的电容器极板。一组与固定极板相啮合的可动电容器极板在容器内可沿轴向移动。一引导轴固定在可动极板上，并可相对于容器沿轴向移动。一个内螺纹螺帽不可旋转地固定在引导轴上，一个带螺纹的导杆被装配进该螺帽，并由一个伺服电机驱动，旋转导杆，以便提升螺帽和可动极板。这些部件可以沿着由一个起始位置和至少一个其他位置所限定的轴向行程运动，一般是在完全收回位置和完全伸展位置之间。光学限制检测器为一个光学分度(indexing)结构的形式，并检测螺帽和相连的可动电容器极板是否处于其起始位置。在本发明中，光发射装置产生一个光束，光接收装置被定向为接收该光束，光束在处于螺帽行程内的一特定轴向位置的路径上传送。当螺帽处于其起始位置时，放置在螺帽上的标记装置阻挡该路径上的光束，而当螺帽离开其起始位置时，该标记装置离开该路径，允许光束从发射装置传送到接收装置。
光发射装置最好包括一个具有与起始位置的螺帽相邻的终点的第一光纤，光接收装置包括一个具有与螺帽相邻的终点、并与第一光纤对准的第二光纤，在两个终点之间限定了一个空间。标记装置可以采取固定在螺帽上或与其一起形成的平板光阀(flat shutter)部件的形式，并且在螺帽处于其起始位置时位于光纤终点之间的空间内。
在一个最佳实施例中，一般有一个圆柱型的罩部件安置在容器上，带有一个用于支承导杆的推力轴承(bearing)，并且其内部有足够的直径和长度来容纳螺帽的行程。在这里，罩部件还支承光发射装置和光接收装置。罩部件可以具有一个用于朝向标记装置的沿轴向延伸的槽引导(slot guide)。
固定电容器极板组在某些情况下可以为一单个极板，其形式可以为合适的形式，即螺旋或涡旋形的。对于可动电容器极板也是这种情况。并且，本发明并不限于导杆驱动电容器，而是也可以应用到带有线性驱动(即，轴向牵引)引导轴的电容器。
图1是一个类型为包含本发明的光学检测器的真空可变电容器的竖直剖面。
图2显示了现有技术的光学检测器的示意图。
图3显示了现有技术的另一个光学检测器。
图3A是图3中一部分的立视图。
图4是包含本发明的终点或限制检测器的可变电容器的终点罩的透视图。
图5是依据本发明的一个实施例的光学检测器的平面图。
图6是沿图5的6-6进行的竖直剖面。
图7是沿图6的7-7进行的部分立视图。
图8是采用该实施例的光学检测器的终点罩的另一个视图。
图9是显示另一个实施例的一部分的竖直剖面。
现在参考附图，首先参考图1，以剖面形式显示的一个典型的真空类型可变电容器10具有一个外部容器11，该外部容器11具有一个金属壳部分12和一个陶瓷绝缘部分13，固定电容器极板14放置在该容器11的下部。有可动电容器极板15与固定极板14相啮合。一个轴向引导轴16连在极板15上，以便将极板15升降。容器11是通过金属波纹管密封的，在制造期间将空气泵出以产生真空，此时密封形成一个突起18(这里在底部)。在容器11的顶部19，有一个固定在引导轴16的顶端的内螺纹螺帽20，一个外螺纹导杆21被装配进该螺帽20。一个罩或盖22位于容器的顶部19，罩在螺帽20和导杆21上。这个罩22具有一个一般为圆柱型的内腔23，该内腔23有足够的长度和直径来容纳螺帽20和相连的引导轴16的行程。在罩22的上部有一个螺纹支架24来支承导杆21。一个伺服电机或其他可控驱动机构(由虚线框S表示)与导杆的上端相连。按已知的方式旋转导杆以提升(或降下)螺帽20，从而轴向地移动电容器极板15，以便在电容范围内改变电容。所示螺帽20是处于起始位置，在该位置引导轴16是完全收回的，并且电容器极板14、15是完全啮合的。可以沿轴向将螺帽提升一预定行程距离，到达一上限，在该位置电容器极板是最少啮合的，对应着电容范围的最小值。
由于前面讨论过的原因，希望将电容器螺帽20放在起始或初始位置，然后通过旋转导杆21并将螺帽20移动到另一个位置来改变电容。当相关的RF设备首先被接通时，电容器处于起始位置，如图所示，然后导杆21被旋转，将螺帽20从起始位置移动到一个调谐位置。为了尽可能快地达到初始设置，采用一个位置检测器或分度传感器来检测螺帽20何时处于其起始位置。典型地，已经采用了一个机电设备、例如微型开关用于此目的，它在螺帽到达起始位置时改变状态。然而，近来，提出了一种与这种结构相当的光学结构，如图2所示。如图所示，一个光学终点检测器25处于容器的顶部19，与螺帽20相邻。检测器25具有用于向螺帽发射光束、例如红外辐射的第一光纤26，和被安排为接收反射辐射的第二光纤27。当螺帽20远离完全降下或起始位置时，在螺帽20和引导轴16上的反射表面在辐射光束中被确定。这种结构的传感器被构造为“常闭”或ON，以便当螺帽20和轴16离开其起始位置时会产生信号，而当螺帽20处于起始位置时则处于OFF条件，没有信号。显然，这种结构需要一个复杂、因而昂贵的光量级鉴别器来测量从螺帽20和引导轴16反射的光。该信号光量是可变的，取决于螺帽20和轴16表面的反射性，并且该光量级还必须区别于从导杆21反射回的较低的光量级。
现有技术的另一个光传感器结构的例子如图3和3A所示，其中，前面所使用的标号在这里代表相同的元件，只是都加上了100。在这种情况下，将第一光纤126放在一个相对于该容器固定的位置，在这里将其固定在罩122上。将另一个光纤127固定在调谐螺帽120上，以便当电容器处于起始位置时与第一光纤126对准，而在其他情况下则不对准。第二光纤127必须随螺帽120自由地上下运动，因此在罩122中提供了一个轴向间隙138，如图3A所示。图3和3A的结构缺乏任何故障保险能力，只要没有信号，相关的控制就会继续旋动导杆121。如果传感器出现了故障，例如光纤断裂或部件未对准，传感器则不能检测出螺帽120已经到达起始位置。这可以导致导杆沿轴向强行移动出罩122。这对电容器或伺服驱动组件会产生无法挽回的损害。
在图4中显示了依据本发明的一个实施例的终点位置分度传感器30，同时还参考图5至图8。在这里，将传感器包含在罩22内。如图4和8所示，传感器具有从一边进入罩22的第一或发射光纤31和从罩22另一边接出的第二或接收光纤32。光纤31、32延伸到一个插接件33，该插接件插入一个可以被包含进用于RF匹配系统的伺服控制器的电子设备模块(图中未显示)。一个溢流出口(strain relief)，例如为带部件(tape segment)34，使光纤接到罩22的外部。
如图5至7所示，发射和接收光纤31、32通过罩22的外壁上的开口，并具有彼此光对准的相应终端35和36。将两个光纤置于容器的顶部19的附近，以便当螺帽20处于其起始位置时与螺帽相邻近。在终端35和终端36之间限定了一个小间隙。一个标记37固定在螺帽20上，并且当螺帽20处于起始位置时被置于终端35、36之间的间隙内。标记37在图6和7中显示得更清楚。标记37可以是连在螺帽上的平板金属部件形式，也可以是与螺帽一起形成的法兰盘。标记37用作为一个光阀，以便在螺帽20处于起始位置时阻挡光纤之间的光路，而在螺帽被提升至高于起始位置时允许光通过。因此，光学终点位置传感器用作为一个“常闭”或ON光学开关，在电容器10离开起始位置的任何时间将为ON，而当处于起始位置时为OFF。一旦出现光OFF条件，控制器停止导杆的旋转，阻止螺帽和电容器极板的向下运动。这意味着在传感器出现故障的情况下，例如光纤断裂，控制器将停止导杆的旋转，不再继续对起始位置的搜寻。
如图8所示，罩22可以具有一个对应于标记37的位置的轴向引导槽38。这可以用于引导标记37的运动，还有助于安装，以便可以与用标记定向的光纤一起正确地安装罩。
在图5中的虚线显示了另一种结构，其中，光纤31a、32a是处于一种直接通过的构造，而不是通过罩及其周围。
在图9中显示了另一个实施例，其中与图6中标识的部件具有相同的标号，只是增加了撇号。在这里，有一个双向光纤31’(或者，两个光纤31和32可以以相同的方向进入罩22)，这样，当螺帽20’离开其起始位置时，光束在标记37’位置的一边离开光纤，从一个相对于容器顶部19’为固定的反射器或镜面39’反射回来，并再次进入双向光纤31’。在起始位置，如图所示，标记37’阻挡光路，一个光OFF信号表明了这个事实。
在这个说明书中，所使用的术语“闭合”和ON表示光路(光纤31至光纤32)是完整的，而术语“断开”和OFF表示光路是阻塞的。
虽然上面已经参考所选择的本发明的最佳实施例说明了本发明，应该理解，本发明并不限于这些实施例。对于本领域普通技术人员来说，在不偏离由附带的权利要求所限定的本发明的情况下，可以作出许多修改和变化。
权利要求
1.一种密封的伺服类型可变调谐电容器，包括一个密封容器(11)；一组在所述容器内的固定极板(15)；一组在所述容器内的、与固定极板相啮合并可沿轴向运动的可动极板(15)；一个固定在所述可动极板上并且可以相对于所述容器沿轴向运动的轴(16)；一个不可旋转地固定在所述轴上并具有内螺纹的螺帽(20)；一个装配进所述螺帽的可旋转带螺纹的导杆(21)；用于可控地旋转所述导杆来移动所述螺帽、从而移动所述可动极板、使其在由一个起始位置和至少一个其他位置限定的行程内运动的装置(S)；其特征在于，一个光分度(indexing)结构检测所述螺帽(20)和所述可动极板(15)是否处于其起始位置，该结构包括产生光束的光发射装置(31)，定向为接收所述光束的光接收装置(32)，所述光束在所述螺帽的行程内的一预定轴向位置上的路径上传送；以及置于所述螺帽(20)上的标记装置(37)，当所述螺帽(20)处于其起始位置时，阻挡所述路径上的所述光束，而当所述螺帽离开其起始位置时，离开所述路径，并允许所述光束从所述发射装置(31)传送到所述接收装置(32)。
2.如权利要求1所述的可变调谐电容器，其特征在于，所述光发射装置包括一个具有与处于其起始位置的所述螺帽相邻的终端(35)的光纤(31)。
3.如权利要求2所述的可变调谐电容器，其特征在于，所述光接收装置包括一个具有与所述螺帽(20)相邻并与第一个所述光纤(31)对准的终端(36)的光纤(32)，两个所述终端在其间限定了一个空间。
4.如权利要求3所述的可变调谐电容器，其中，所述标记装置包括一个平板光阀部件，当螺帽处于所述起始位置时，位于所述空间内。
5.如权利要求1所述的可变调谐电容器，其中，一个圆柱形罩部件(22)安装在所述容器上，包括用于支承导杆(21)的装置(24)，并具有容纳所述螺帽(20)的行程的内部(23)；其特征在于，所述罩部件包括支承所述光发射装置(31)和所述光接收装置(32)的装置。
6.如权利要求5所述的可变调谐电容器，其特征在于，所述罩部件(22)具有一个沿轴向扩展的槽引导(38)，用于引导所述标记装置(37)。
7.一个密封的伺服类型可动调谐电容器，包括一个密封容器(11)；一组在所述容器内的固定极板(14)；一组在所述容器内的、与固定极板(14)相啮合并可沿轴向运动的可动极板(15)；一个固定在所述可动极板上并且可以相对于所述容器沿轴向运动的轴(16)；一个固定在所述轴上的螺帽(20)；用于可控地移动所述螺帽(20)和所述引导轴(16)、从而移动所述可动极板、使其在由一个起始位置和至少一个其他位置限定的轴向行程内运动的装置(S，21)；其特征在于，一个光分度(indexing)结构检测所述螺帽(20)和所述可动极板(15)是否处于其起始位置，该结构包括产生光束的光发射装置(31)，定向为接收所述光束的光接收装置(32)，所述光束在所述螺帽的行程内的一预定轴向位置上的路径上传送；以及置于所述螺帽(20)上的标记装置(37)，当所述螺帽(20)处于其起始位置时，其阻挡所述路径上的所述光束，而当所述螺帽离开其起始位置时，它离开所述路径，并允许所述光束从所述发射装置传送到所述接收装置。
8.一个可动调谐电容器，包括一组在一个容器(11)内的固定极板(14)；一组与固定极板(14)相啮合的可动极板(15)；一个固定在所述可动极板上并且可以相对于所述固定极板运动的轴(16)；一个安装在所述轴(16)上的螺帽部件(20)；用于可控地移动所述螺帽部件(20)、从而移动所述可动极板、使其在由一个起始位置和至少一个其他位置限定的行程内运动的装置(S，21)；其特征在于，一个光分度结构检测所述螺帽部件(20)和所述可动极板(15)是否处于其起始位置，该结构包括产生光束的光发射装置(31)，定向为接收所述光束的光接收装置(32)，所述光束在所述螺帽部件的行程内的一预定轴向位置上的路径上传送；以及置于所述螺帽部件(20)上的标记装置(37)，当所述螺帽部件处于其起始位置时，它阻挡所述路径上的所述光束，而当所述螺帽部件离开其起始位置时，它离开所述路径，并允许所述光束从所述发射装置向所述接收装置传送。
全文摘要
一个用于真空调谐电容器的光学位置传感器采用位于与引导轴(16)相连的螺帽(20)附近的光纤(31,32)。旋转一个带螺纹的导杆(21)以提升螺帽,并将电容器从完全收回的起始位置移动到一个调谐位置。第一光纤(31)的终端与第二光纤(32)的终端对准,以限定一个间隙。当螺帽处于起始位置时,在螺帽上的标记或光阀(37)位于该间隙中,以阻挡光纤之间的光路,否则,则离心该间隙,允许光通过。这产生了常通信号,使位置传感器有了故障保险能力。该传感器可以被包含在调谐电容器的一个罩或盖(22)内。
文档编号G01D5/34GK1231489SQ9910210
公开日1999年10月13日 申请日期1999年2月8日 优先权日1998年2月9日
发明者小R·E·丘奇 申请人:恩尼技术公司