JP3815771B2

JP3815771B2 - 静電容量式ギャップセンサ、及びその信号検出方法

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Publication number: JP3815771B2
Application number: JP2001237226A
Authority: JP
Inventors: 修弘石川; 暢久西沖; 慎一郎谷中
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2021-08-06
Also published as: JP2002221402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被測定体とセンサ間の距離（ギャップ）に対応した信号を検出する静電容量式ギャップセンサ、及びその信号検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、静電容量式ギャップセンサにおいては、例えば図１に示すように、被測定体１の被測定面１ａと測定ヘッド２の対物面２ａに設ける第１、第２検出電極ｅ₁ ，ｅ₂ との間に生じる静電容量を測定することにより、被測定体１と第１、第２検出電極ｅ₁ ，ｅ₂ との間の距離（以下、ギャップｄと称する）を測定する。即ち、導電性の被測定体１は電位をＧＮＤの状態に保たれた状態で位置され、前記被測定面１ａの略直角な方向に離間対向される前記対物面２ａにはガード電極ｅ₃ で相互間を絶縁シールドされた同心的な第１検出電極ｅ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ が設けられる。
つまり、静電容量式変位センサにあっては、被測定体表面（被測定面１ａ）と検出電極（検出電極ｅ₁ ，ｅ₂ ）との間に生じる静電容量を、基準交流を印加することで交流インピーダンス値として検出することにより、被測定体表面と検出電極との距離ｄを非接触かつＡＢＳ測定する。
【０００３】
しかしながら、このような交流インピーダンス値による測定方法では、被測定体の電位がセンサ側のＧＮＤと等しく接続されている場合と被測定体が絶縁されて電位がＧＮＤから浮いている場合とでは、センサ検出信号の感度とオフセットレベルが異なることから、被測定体の電気的な状況によっては正確なギャップ測定ができないという問題が存在する。
そのため、一般的には、被測定体がＧＮＤと接続されている条件に限定してセンサの能力仕様を表示し、ＧＮＤから浮いている場合には別途校正を行わせるが、被測定体の静電状態でいちいち構成を行うことは煩わしいものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、本発明者らは、平成１２年９月２６日に出願した特願２０００−２９１４０８号（整理番号：Ｈ１２０７７）により、外部移動機構により基準変位を与えることによりセンサ検出信号の感度とオフセットレベルを補正することを提案した。
しかしながら、この測定方法では外部移動機構の付加が必要であり、また、検出電極の構成や検出方式は従来通りであるため、センサの検出部面積に対して検出電極有効面積はかなり小さくならざるを得ない問題を含んでいる。つまり、この測定方法は、従来の静電容量式センサの高感度化を行うと、電極面積が必然的に大きくなること、つまり小型化が障害されることを意味している。
【０００５】
本発明の第１の目的は、以上に述べたような従来の静電容量式ギャップセンサの問題に鑑み、外部機構を付加することなく、被測定体の電気的な状況によらない正確なギャップ測定ができ、しかもセンサの検出部面積に対して検出電極有効面積を大きくとれる静電容量ギャップセンサの測定装置及びその測定方法を得るにある。
また、本発明の第２の目的は、前記第１目的を達成できる測定装置において、検出電極とガード電極との間に生じる電位差による検出電極の浮遊容量の影響のない静電容量ギャップセンサを得るにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記第１目的を達成するため、本発明は、
導電性被測定体の被測定面に対してギャップｄをもって対向される略平行な対物面に設けられて前記被測定面との間に静電容量Ｃ₁ を形成する第１検出電極ｅ₁ と、同第１検出電極ｅ₁ に対し絶縁された状態で同心的に位置されかつ被測定面との間に静電容量Ｃ₂ を形成する第２検出電極ｅ₂ とを備え、前記被測定面と前記対物面との間の前記ギャップｄに応じて変化する信号を検出する静電容量式ギャップセンサにおいて、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₁ と前記第２検出電極ｅ ₂ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₂ とを等しくされた前記第１検出電極ｅ₁ 及び前記第２検出電極ｅ₂ と、
所定の静電容量Ｃ_a1を有するコンデンサを介して、前記第１検出電極ｅ₁ に対して振幅Ｖ、周波数ｆの交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、
所定の静電容量Ｃ_a2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ₂ に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔの逆相である交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂと、
前記静電容量Ｃ_a1と前記静電容量Ｃ_a2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ₁ に発生する電位Ｓ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ に発生する電位Ｓ₂ との差である差動出力 S ₃ を出力する差動手段４と、
この差動出力 S ₃ を入力して前記ギャップｄに対して線形対応した信号 S ₄ を出力する信号処理手段５と、
を備えることを特徴とする静電容量式ギャップセンサを提案するものである。
【０００７】
また、前記第１目的は、本発明によれば、
導電性被測定体の被測定面に対してギャップｄをもって対向される略平行な対物面に設けられて前記被測定面との間に静電容量Ｃ₁ を形成する第１検出電極ｅ₁ と、同第１検出電極ｅ₁ に対し絶縁された状態で同心的に位置されかつ被測定面との間に静電容量Ｃ₂ を形成する第２検出電極ｅ₂ とを備え、前記被測定面と前記対物面との間の前記ギャップｄに応じて変化する信号を検出する静電容量式ギャップセンサにおいて、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記被測定面に対向する面積Ａ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ の同被測定面に対向する面積Ａ₂ とが等しくなるように設定し、
所定の静電容量Ｃ_a1を有するコンデンサを介して、前記第１検出電極ｅ₁ に対して振幅Ｖ、周波数ｆの交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加し、
所定の静電容量Ｃ_a2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ₂ に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔの逆相である交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加し、
前記静電容量Ｃ_a1と前記静電容量Ｃ_a2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ₁ に発生する電位Ｓ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ に発生する電位Ｓ₂ との差である差動出力 S ₃ の関数として前記ギャップｄに対して線形対応した信号 S ₄ を出力することを特徴とする静電容量式変位センサの信号検出方法によっても達成される。
【０００８】
本発明によれば、前記第２目的は、
導電性被測定体の被測定面に対してギャップｄをもって対向される略平行な対物面に設けられて前記被測定面との間に静電容量Ｃ₁ を形成する第１検出電極ｅ₁ と、同第１検出電極ｅ₁ に対し絶縁された状態で同心的に位置されかつ被測定面との間に静電容量Ｃ₂ を形成する第２検出電極ｅ₂ とを備え、前記被測定面と前記対物面との間の前記ギャップｄに応じて変化する信号を検出する静電容量式ギャップセンサにおいて、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₁ と前記第２検出電極ｅ ₂ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₂ とを等しくされた前記第１検出電極ｅ₁ 及び前記第２検出電極ｅ₂ と、
所定の静電容量Ｃ_a1を有するコンデンサを介して、前記第１検出電極ｅ₁ に対して振幅Ｖ、周波数ｆの交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、
所定の静電容量Ｃ_a2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ₂ に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔの逆相である交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂと、
前記静電容量Ｃ_a1と前記静電容量Ｃ_a2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ₁ に発生する電位Ｓ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ に発生する電位Ｓ₂ との差である差動出力 S ₃ を出力する差動手段４と、
この差動出力 S ₃ を入力して前記ギャップｄに対して線形対応した信号 S ₄ を出力する信号処理手段５とを備え、
前記第１検出電極ｅ₁ は、半径がｒ₁ で、軸方向長さがＬ₁ である円柱状導電性材料で作られ、
前記第１検出電極ｅ₁ の外側に配置される前記第２検出電極ｅ₂ は、内周半径がｒ_2iかつ外周半径がｒ_2oで、軸方向長さがＬ₂ である円筒状導電性材料で作られ、
前記第１検出電極ｅ₁ との間隔をｇ₁ に保って前記第１検出電極ｅ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ との間に同心的に位置された円筒状導電性材料の第１ガード電極ｅ₃ と、前記第２検出電極ｅ₂ との間隔をｇ_2iに保って前記第１ガード電極ｅ₃ と前記第２検出電極ｅ₂ との間に同心的に位置された円筒状導電性材料の第２ガード電極ｅ_4iと、前記第２検出電極ｅ₂ との間隔をｇ_2oに保って同第２検出電極ｅ ₂ の外側に同第２検出電極ｅ₂ と同心的に位置された円筒状導電性材料の第３ガード電極ｅ_4oと、前記第１検出電極ｅ₁ と前記第１ガード電極ｅ₃ の間、前記第２検出電極ｅ₂ と前記第２ガード電極ｅ_4iの間及び前記第２検出電極ｅ₂ と前記第３ガード電極ｅ_4oの間の空間を満たす均一な電気絶縁物質層とを備え、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記軸方向長さＬ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ の前記軸方向長さＬ₂ は、
【数１】

で表される関係をもち、
前記静電容量Ｃ₁ と等価的に並列に生じる浮遊容量Ｃ_G1と、前記Ｃ₂ と等価的に並列に生じる浮遊容量Ｃ_G2とが等しい静電容量式ギャップセンサ
によって達成される。
【０００９】
後述する本発明の好ましい実施形態の説明では、
1) 前記間隔ｇ₁ 、前記間隔ｇ_2i 、前記間隔ｇ_2o が等しく、
前記軸方向長さＬ₁ および前記軸方向長さＬ₂ が
【数４】

で表される関係をもつ静電容量式ギャップセンサ、
2) 前記被測定平面と略平行にされた前記対物面と、前記第１検出電極ｅ₁ に接続された第１同軸ケーブル１の芯線と、前記第１ガード電極ｅ₃ に接続された前記第１同軸ケーブル１のシールド線と、前記第２検出電極ｅ₂ に接続された第２同軸ケーブル２の芯線と、前記第２ガード電極ｅ_4i及び前記第３ガード電極ｅ_4oに接続された前記第２同軸ケーブルのシールド線とを備え、
前記測定面と前記対物面との間に固定ギャップを与えたとき、前記同軸ケーブル１の長さＬ₃ と前記同軸ケーブル２の長さＬ₄ は前記電位Ｓ₁ と前記電位Ｓ₂ とが等しくなるように定められ、より厳密に前記静電容量Ｃ_G1と前記静電容量Ｃ_G2とが等しい静電容量式ギャップセンサ
が説明される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面について本発明の実施例の詳細を説明する。
図１は本発明の第１実施例による静電容量式ギャップセンサ及びその測定装置を示し、導電性材料で構成される被測定体１の表面、即ち被測定面１ａには、ギャップｄだけ離間された対物面２ａをもった測定ヘッド２が対向されるのは従来と同様である。つまり、測定ヘッド２の対物面２ａには、ガード電極ｅ₃ で相互間を絶縁シールドされた同心的な第１検出電極ｅ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ が設けてある。
【００１１】
本発明では、被測定面１ａに対向された第１検出電極ｅ₁ の対向面積Ａ₁ 及び同被測定面１ａに対向する第２検出電極ｅ₂ の対向面積Ａ₂ は全く等しい面積とされ、これらの第１検出電極ｅ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ には、それぞれ別の基準コンデンサＣ_a1と基準コンデンサＣ_a2を介して、別個の第１正弦波駆動源３Ａ及び第２正弦波駆動源３Ｂから交流電流が印加される。
【００１２】
したがって、第１検出電極ｅ₁ −被測定体１間、並びに、検出第２検出電極ｅ₂ −被測定体１間には、それぞれギャップｄに応じて変化する静電容量Ｃ₁ とＣ₂ が発生することになる。これらの静電容量Ｃ₁ とＣ₂ は電極面積が等しく（Ａ₁ ＝Ａ₂ ）、ギャップｄを共有しているため、必然的に静電容量Ｃ₁ ＝静電容量Ｃ₂ なる関係となる。
【００１３】
なお、図１のガード電極ｅ₃ は第１検出電極ｅ₁ と等電位にバッファを介して駆動することで第１検出電極ｅ₁ −第２検出電極ｅ₂ 間の容量結合を遮断するためのものである。同様に、ガード電極ｅ₄ は第２検出電極ｅ₂ と等電位に駆動することで第２検出電極ｅ₂ −第１検出電極ｅ₁ 間及び第２検出電極ｅ₂ −ＧＮＤ間の容量結合を遮断するために用いられる。
【００１４】
第１検出電極ｅ₁ −被測定体１間及び第２検出電極ｅ₂ −被測定体１に対して、２つの駆動電源から等しい電圧振幅Ｖ及び周波数ｆの交流が逆相でそれぞれに印加されると、基準コンデンサＣ_a1、Ｃ_a2と第１、第２検出電極ｅ₁ ，ｅ₂ の中間には、基準コンデンサＣ_a1、Ｃ_a2によって生じるインピーダンスＺ_a1、Ｚ_a2及び第１検出電極ｅ₁ −被測定体１間に生じる静電容量Ｃ₁ と、第２検出電極ｅ₂ −被測定体１間に生じる静電容量Ｃ₂ によって生じるインピーダンスＺ₁ 、Ｚ₂ との分圧により、検出信号Ｓ₁ と検出信号Ｓ₂ が発生する。
【００１５】
ここで、図２は図１の測定ヘッド２の等価回路であり、基準コンデンサＣ_a1＝基準コンデンサＣ_a2となるように素子を選定しておけば、被測定体１の電位がＶ₀ のときの検出信号Ｓ₁ 、Ｓ₂ は次式のように表せる。
【００１６】
【数５】

【００１７】
【数６】

【００１８】
このことから、検出信号Ｓ₁ 、Ｓ₂ を作動手段４に入力させれば、差動手段４の差動出力Ｓ₃ は
【数７】

となる。
【００１９】
このとき静電容量Ｃ₁ ＝静電容量Ｃ₂ 、基準コンデンサＣ_a1＝基準コンデンサＣ_a2なので、インピーダンスＺ_a1＝インピーダンスＺ_a2、インピーダンスＺ₁ ＝インピーダンスＺ₂ である。
よって、式（３）は次式のように導ける。
【００２０】
【数８】

【００２１】
この式（４）から理解されるように、Ｖ₀ の項の係数が０となることから、本発明による静電容量式ギャップセンサの測定方法では、被測定体１の電位Ｖ₀ による影響はキャンセルされる。
【００２２】
また、インピーダンスＺ₁ 、Ｚ_a1は次式のように求められる。
【数９】

【数１０】

【００２３】
そして、ギャップ空間の誘電率をεとすれば、ギャップｄに応じて変化する静電容量Ｃ₁ は、
【００２４】
【数１１】

として得られる。
【００２５】
このことから、信号Ｓ₃ はギャップｄの関数として次のように導けることになる。
【００２６】
【数１２】

【００２７】
ここで、ｋ₁ 、ｋ₂ 、ｋ₃ は定数であるが、式（８）のように信号Ｓ₃ がギャップｄによる関数として成立するので、その逆関数Ｆを用いて信号処理手段５により信号Ｓ₃ の関数としてギャップｄに線形対応した出力信号Ｓ₄ を導くことができる。
【００２８】
【数１３】

【００２９】
以上に述べたように、本発明によれば、面積の等しい第１検出電極ｅ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ を用いてそれぞれ逆相の交流を印加し、検出信号の差動をとることで、被測定体１の電位が浮いていても、被測定体１がＧＮＤ接続されている場合と等価なギャップ検出を行なうことができる。しかも、本発明による同作用効果は、被測定体１の電位が浮いている場合にとどまらず、被測定体１に所定の電圧が印加されている場合や、被測定体１の電位が別の交流源と結合して変動している場合にも有効である。つまり、本発明によれば、被測定体１の全ての電気的状態に拘りなく、正確なギャップ測定を行なうことができる。
【００３０】
加えると、本発明では、第１、第２検出電極ｅ₁ ，ｅ₂ の対向面積を有効に活用できる。即ち、従来の測定方法では、２つの第１、第２検出電極ｅ₁ 、ｅ₂ を用意していても、実際に検出に関与する電極はどちらか一方（たとえばｅ₁ 側）のみであるから、従来の測定方法における電極の総面積に対する実効的な検出電極面積の比率は最大でもＡ₁ ／（Ａ₁ ＋Ａ₂ ）である。
この比率は通常のセンサでは概ね１０％以下であるけれども、あまり増加させても今度は被測定体１の電気的状態による誤差が大きくなってしまう問題が引き起こされる。そのうえ、従来の測定方法で、高感度化をねらって検出にあずかる電極の面積を増やそうとすると、総面積がさらに広くなるので、センサの寸法も大きくなる。
これに対し、本発明の測定方法においては、２つの第１、第２検出電極を独立に用いて合成するので、前述した面積活用効果は１００％になる。
したがって、同規模のサイズのセンサであっても、その検出にあずかる実効的な電極の面積は、本発明の場合、ずっと広くなり、静電容量式ギャップセンサの一層の高感度化と小型化を両立できる。
【００３１】
図４及び図５は本発明の第２実施例による静電容量式ギャップセンサを示し、この静電容量式ギャップセンサにおいては、図５の同一対物平面上に同心的に位置されかつ互いに絶縁された第１検出電極ｅ₁ 、第１ガード電極ｅ₃ 、第２ガード電極ｅ_4i、第２検出電極ｅ₂ 、第３ガード電極ｅ_4oが中心から順に設けられる。
また、この静電容量式ギャップセンサでは、前記第２ガード電極ｅ_4iと前記第３ガード電極ｅ_4oとが導線で結ばれ、これらをまとめてガード電極ｅ₄ としてある。
【００３２】
そして、第１検出電極ｅ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ の検出にあずかる面積を等しくして、
被測定面と第１検出電極ｅ₁ との間の静電容量Ｃ₁
＝被測定面と第２検出電極ｅ₂ の静電容量Ｃ₂
とするため、円柱状第１検出電極ｅ₁ の軸方向長さを”Ｌ₁ ”とし、円筒状検出電極ｅ₂ の軸方向長さを”Ｌ₂ ”とした場合、同第１検出電極ｅ₁ の半径ｒ₁ と第２検出電極ｅ₂ の内周半径ｒ_2i及び同第２検出電極ｅ₂ の外周半径ｒ_2oの関係は、次の式（１０）のように設定される。
【数１４】

【００３３】
ここに、円筒状とされるこれらの第１ガード電極ｅ₃ 、第２ガード電極ｅ_4i、第３ガード電極ｅ_4oは、前述した第１検出検出電極ｅ₁ と第２検出電極ｅ₂ との間の容量的結合を防ぐ。
また、第１検出電極ｅ₁ −第１ガード電極ｅ₃ 間，第２検出電極ｅ₂ −第２ガード電極ｅ_4i間、及び、第２検出電極ｅ₂ −第３ガード電極ｅ_4o間の空間内の空気誘電率はずべて同一となるように、電気絶縁性物質が充填される。
【００３４】
さらに、第２実施例による静電容量式ギャップセンサにおいては、第１検出電極ｅ₁ 及び第１ガード電極ｅ₃ とバッファ１の間が長さＬ₃ の第１同軸ケーブルで接続され、同様に、第２検出電極ｅ₂ 及びガード電極ｅ₄ とバッファ２との間が長さＬ₄ の第２同軸ケーブル２で接続される。
そして、浮遊容量Ｃ_G1＝浮遊容量Ｃ_G2とするため、第１検出電極ｅ₁ と第２検出電極ｅ₂ とにおいて、「検出電極−ガード電極間の静電容量と、同軸ケーブルの芯線−シールド線間の静電容量との和」を等しく定められる。まず、検出電極−ガード電極間の静電容量の均等化のため、前述した軸方向長さＬ₁ と軸方向長さＬ₂ を略等しく設定することで、浮遊容量Ｃ_G1と浮遊容量Ｃ_G2の値が概ね等しくされる。
具体的には、第１検出電極電極ｅ₁ −第１ガード電極ｅ₃ 間の間隔を”ｇ₁ ”、第２検出電極ｅ₂ −第２ガード電極ｅ_4i間の間隔を”ｇ_2i”、第２検出電極ｅ₂ −第３ガード電極ｅ_4o間の間隔を”ｇ_2o”とした場合、軸方向長さＬ₁ と軸方向長さＬ₂ の比が以下の式（１１）のように設定される。
【数１５】

【００３５】
ここで、平行な平板コンデンサの静電気容量Ｃは、電極の面積Ｓ，電極間の間隔ｇ，誘電率εを用いて以下の式（１２）のように表される。
【数１６】

つまり、前述の式（１１）は、各検出電極−ガード電極間の静電容量を式（１２）を用いて表し、前述のとおり各検出電極−ガード電極間の空間の誘電率が等しいとして導いたものである。
式（１１）において、間隔ｇ₁ 、間隔ｇ_2i、間隔ｇ_2oを全て等しくすると、式（１１）は
【数１７】

と簡略化できる。
【００３６】
この式（１３）は、各検出電極−ガード電極間の間隔を等しく設定した場合には、第１検出電極ｅ₁ −第１ガード電極ｅ₃ 間と、第２検出電極ｅ₂ −ガード電極ｅ₄ 間とで対向面積を等しくするように軸方向長さＬ₁ と軸方向長さＬ₂ を設定することで、浮遊容量Ｃ_G1と浮遊容量Ｃ_G2の値を概ね等しくすることができることを示している。
【００３７】
続けるに、軸方向長さＬ₁ と軸方向長さＬ₂ との比を式（１１）もしくは式（１３）のように設定した電極部の場合、部品の加工精度や組み立て精度により、第１検出電極ｅ₁ −第１ガード電極ｅ₃ 間と第２検出電極ｅ₂ −ガード電極ｅ₄ 間との静電容量は全く同一になるわけではない。そこで、同軸ケーブル１の長さＬ₃ および同軸ケーブル２の長さＬ₄ を加減することで最終的に浮遊容量Ｃ_G1＝浮遊容量Ｃ_G2を達成できる。同軸ケーブルは長いほどケーブル自体がもつ静電容量が大きくなるので、前記対物面を導電性の被測定平面と平行に設置し、センサ測定範囲内における所定の固定ギャップを与えたとき、バッファ１の出力とバッファ２の出力が等しくなるよう長さＬ₃ 及び長さＬ₄ を加減することで、より厳密に浮遊容量Ｃ_G1＝浮遊容量Ｃ_G2を達成できる。
【００３８】
言い換えると、同軸ケーブルの長さを加減して、検出電極に生じる浮遊容量を同一とすることにより、Ｖ₀ の影響を受けず、ギャップｄを正確に測定することができるセンサ電極部の実現が可能となる。
【００３９】
なお、第２実施例についての前述した内容は、静電容量Ｃ₁ と静電容量Ｃ₂ が等しいことを前提として、浮遊容量Ｃ_G1と浮遊容量Ｃ_G2とを等しくする工夫について説明した。しかし、測定精度によっては、厳密な意味で静電容量Ｃ₁ と静電容量Ｃ₂ とを等しくしなくても、また厳密な意味で浮遊容量Ｃ_G1と浮遊容量Ｃ_G2とを等しくしなくてもよいことはいうまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、被測定体の電気的状態によらず正確なギャップの測定が行えるばかりでなく、静電容量式ギャップセンサの検出電極の有効面積が増大したのと等価となるため、高感度化及び小型化が可能になる。
また、請求項３から請求項５に記載の発明によると、浮遊容量の影響を受けない精密な静電容量式ギャップセンサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による静電容量式ギャップセンサの測定原理説明図である。
【図２】図１の２−２線に沿う拡大断面図である。
【図３】同静電容量式ギャップセンサの等価回路図である。
【図４】本発明の第２実施例による静電容量式ギャップセンサの測定原理説明図である。
【図５】図４の５−５線に沿う拡大断面図である。
【図６】同静電容量式ギャップセンサの等価回路図である。
【符号の説明】
１被測定体
１ａ被測定面
２測定ヘッド
２ａ対物面
３Ａ，３Ｂ正弦波駆動源
４差動手段
５信号処理手段
ｅ₁ 第１検出電極
ｅ₂ 第２検出電極
ｅ₃ ，ｅ₄ ガード電極

Claims

導電性被測定体の被測定面に対してギャップｄをもって対向される略平行な対物面に設けられて前記被測定面との間に静電容量Ｃ₁ を形成する第１検出電極ｅ₁ と、同第１検出電極ｅ₁ に対し絶縁された状態で同心的に位置されかつ被測定面との間に静電容量Ｃ₂ を形成する第２検出電極ｅ₂ とを備え、前記被測定面と前記対物面との間の前記ギャップｄに応じて変化する信号を検出する静電容量式ギャップセンサにおいて、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₁ と前記第２検出電極ｅ ₂ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₂ とを等しくされた前記第１検出電極ｅ₁ 及び前記第２検出電極ｅ₂ と、
所定の静電容量Ｃ_a1を有するコンデンサを介して、前記第１検出電極ｅ₁ に対して振幅Ｖ、周波数ｆの交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、
所定の静電容量Ｃ_a2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ₂ に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔの逆相である交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂと、
前記静電容量Ｃ_a1と前記静電容量Ｃ_a2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ₁ に発生する電位Ｓ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ に発生する電位Ｓ₂ との差である差動出力 S ₃ を出力する差動手段４と、
この差動出力 S ₃ を入力して前記ギャップｄに対して線形対応した信号 S ₄ を出力する信号処理手段５と、
を備えることを特徴とする静電容量式ギャップセンサ。
導電性被測定体の被測定面に対してギャップｄをもって対向される略平行な対物面に設けられて前記被測定面との間に静電容量Ｃ₁ を形成する第１検出電極ｅ₁ と、同第１検出電極ｅ₁ に対し絶縁された状態で同心的に位置されかつ被測定面との間に静電容量Ｃ₂ を形成する第２検出電極ｅ₂ とを備え、前記被測定面と前記対物面との間の前記ギャップｄに応じて変化する信号を検出する静電容量式ギャップセンサにおいて、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記被測定面に対向する面積Ａ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ の同被測定面に対向する面積Ａ₂ とが等しくなるように設定し、
所定の静電容量Ｃ_a1を有するコンデンサを介して、前記第１検出電極ｅ₁ に対して振幅Ｖ、周波数ｆの交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加し、
所定の静電容量Ｃ_a2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ₂ に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔの逆相である交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加し、
前記静電容量Ｃ_a1と前記静電容量Ｃ_a2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ₁ に発生する電位Ｓ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ に発生する電位Ｓ₂ との差である差動出力 S ₃ の関数として前記ギャップｄに対して線形対応した信号 S ₄ を出力することを特徴とする静電容量式変位センサの信号検出方法。
導電性被測定体の被測定面に対してギャップｄをもって対向される略平行な対物面に設けられて前記被測定面との間に静電容量Ｃ₁ を形成する第１検出電極ｅ₁ と、同第１検出電極ｅ₁ に対し絶縁された状態で同心的に位置されかつ被測定面との間に静電容量Ｃ₂ を形成する第２検出電極ｅ₂ とを備え、前記被測定面と前記対物面との間の前記ギャップｄに応じて変化する信号を検出する静電容量式ギャップセンサにおいて、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₁ と前記第２検出電極ｅ ₂ の前記被測定面に対向する対向面積Ａ₂ とを等しくされた前記第１検出電極ｅ₁ 及び前記第２検出電極ｅ₂ と、
所定の静電容量Ｃ_a1を有するコンデンサを介して、前記第１検出電極ｅ₁ に対して振幅Ｖ、周波数ｆの交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、
所定の静電容量Ｃ_a2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ₂ に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔの逆相である交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂと、
前記静電容量Ｃ_a1と前記静電容量Ｃ_a2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ₁ に発生する電位Ｓ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ に発生する電位Ｓ₂ との差である差動出力 S ₃ を出力する差動手段４と、
この差動出力 S ₃ を入力して前記ギャップｄに対して線形対応した信号 S ₄ を出力する信号処理手段５とを備え、
前記第１検出電極ｅ₁ は、半径がｒ₁ で、軸方向長さがＬ₁ である円柱状導電性材料で作られ、
前記第１検出電極ｅ₁ の外側に配置される前記第２検出電極ｅ₂ は、内周半径がｒ_2iかつ外周半径がｒ_2oで、軸方向長さがＬ₂ である円筒状導電性材料で作られ、
前記第１検出電極ｅ₁ との間隔をｇ₁ に保って前記第１検出電極ｅ₁ と前記第２検出電極ｅ₂ との間に同心的に位置された円筒状導電性材料の第１ガード電極ｅ₃ と、前記第２検出電極ｅ₂ との間隔をｇ_2iに保って前記第１ガード電極ｅ₃ と前記第２検出電極ｅ₂ との間に同心的に位置された円筒状導電性材料の第２ガード電極ｅ_4iと、前記第２検出電極ｅ₂ との間隔をｇ_2oに保って同第２検出電極ｅ ₂ の外側に同第２検出電極ｅ₂ と同心的に位置された円筒状導電性材料の第３ガード電極ｅ_4oと、前記第１検出電極ｅ₁ と前記第１ガード電極ｅ₃ の間、前記第２検出電極ｅ₂ と前記第２ガード電極ｅ_4iの間及び前記第２検出電極ｅ₂ と前記第３ガード電極ｅ_4oの間の空間を満たす均一な電気絶縁物質層とを備え、
前記第１検出電極ｅ₁ の前記軸方向長さＬ₁ 及び第２検出電極ｅ₂ の前記軸方向長さＬ₂ は、

で表される関係をもち、
前記静電容量Ｃ₁ と等価的に並列に生じる浮遊容量Ｃ_G1と、前記Ｃ₂ と等価的に並列に生じる浮遊容量Ｃ_G2とが等しいことを特徴とする静電容量式ギャップセンサ。
前記間隔ｇ₁ 、前記間隔ｇ_2i 、前記間隔ｇ_2o が等しく、
前記軸方向長さＬ₁ および前記軸方向長さＬ₂ が

で表される関係をもつことを特徴とする請求項３記載の静電容量式ギャップセンサ。
前記被測定平面と略平行にされた前記対物面と、前記第１検出電極ｅ₁ に接続された第１同軸ケーブル１の芯線と、前記第１ガード電極ｅ₃ に接続された前記第１同軸ケーブル１のシールド線と、前記第２検出電極ｅ₂ に接続された第２同軸ケーブル２の芯線と、前記第２ガード電極ｅ_4i及び前記第３ガード電極ｅ_4oに接続された前記第２同軸ケーブルのシールド線とを備え、
前記測定面と前記対物面との間に固定ギャップを与えたとき、前記同軸ケーブル１の長さＬ₃ と前記同軸ケーブル２の長さＬ₄ は前記電位Ｓ₁ と前記電位Ｓ₂ とが等しくなるように定められ、より厳密に前記静電容量Ｃ_G1と前記静電容量Ｃ_G2とが等しいことを特徴とする請求項３記載の静電容量式ギャップセンサ。