JP2001050704A

JP2001050704A - 導電性物体の端部検出装置

Info

Publication number: JP2001050704A
Application number: JP11164754A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimotori; 明霜鳥
Original assignee: Nireco Corp
Current assignee: Nireco Corp
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2001-02-23
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP3982948B2

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲の状況に影響されないで導電性物体の電
極への挿入量を検出する装置を提供する。【解決手段】導電性物体１の端部の移動方向に対し平
行に配置された送信電極２と、導電性物体１を挟んで送
信電極２に対向して配置された受信電極３と、送信電極
２に周波数ｆ１の交流信号Ｓ１と周波数ｆ２の交流信号
Ｓ２を印加する電源４と、受信電極３に発生する周波数
ｆ１の電流Ｉ１と周波数ｆ２の電流Ｉ２より導電性物体
１の端部の送信電極２と受信電極３の間への挿入量を検
出する検出手段と、を備え、交流信号Ｓ１により発生す
る電気力線は導電性物体１の端部移動方向に連続的にか
つ単調増加する密度分布であり、交流信号Ｓ２により発
生する電気力線は交流信号Ｓ１により発生する電気力線
の密度分布と逆形状の密度分布である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に帯状をなした
導電性物体、例えば金属の端部が検出装置を構成する電
極部に入り込む量を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、導電性帯状体の端部の位置を検出
する目的のために、様々な手法が考案され、用いられて
きた。例えば、光電的に検出するもの、画像情報を用い
るもの、電磁的に検出するもの等がある。これらはそれ
ぞれ得失があるため用途に応じて使い分けられてきた。

【０００３】またこれらの方法とともに実用化されてい
る方法に静電容量もしくはこれを媒介として得られる情
報の変化を評価する手法がある。原理的に、静電容量を
用いた手法は更に２種類に分類される。第１の方法は静
電容量の変化そのものを評価する方法であり、その例を
図１に示す。交流電源１０１を導電性帯状体１００と電
極１０２との間に印加し電極１０２間に挿入された導電
性帯状体１００の挿入量Ｘによって変化する静電容量を
同調コイル１０４とともに形成される共振周波数の変化
として捕らえ共振電流の変化を増幅器１０３で増幅し挿
入量Ｘを検出する。

【０００４】第２の方法は静電容量を介して伝達される
信号、例えば高周波電圧が静電容量に挿入された導電性
物体によって変調される度合いを評価する方法である。
図２は第２の方法の一例を示す。交流電源１０１を送信
電極１０２ａに印加し送信電極１０２ａと受信電極１０
２ｂ間に挿入された導電性帯状体１００の挿入量Ｘによ
って変化する電流を増幅器１０３で増幅し挿入量Ｘを検
出する。

【０００５】第２の方法は入力端子および出力端子を持
ち、両者の間に定義される関数の出力を導電性物体の挿
入位置によって変化させるものである。第２の方法を簡
単化した式で示す。Ｙ＝Ｋ・Ｘ …（１）ここにＹ：出力値，例えば電圧、Ｋ：係数、Ｘ：導電性
物体の電極への挿入量

【０００６】以下に記載する本発明は第２の方法の範疇
に属するもので、以降第２の方法を「静電式３端子型」
と呼ぶことにする。静電式３端子型の系で用いる励振電
源は高周波の交流を用いることが多く、本発明でもこれ
を用いるが、これは単に実用的性能の実現のし易さから
選択されるものであり、０を越えるいかなる周波数を用
いても本発明は実現可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した（１）式に示
すように、関数は導電性物体の電極への挿入量のみに感
受性をもつことが望ましい。しかし、実際には各種の要
因が介在し、係数に漂動が起る。次に示す（２）式は
（１）式を実体に近い式にしたものである。Ｙ＝（１＋α）・Ｋ・Ｘ …（２）ここにα：係数の漂動 αは、例えば、空間の誘電率が温度や湿度、気圧などで
複雑に変化したり、入出力電極間の物理的距離が変動し
たりすること、あるいは周囲の電気的反射や漏洩などで
変化する。しかし、従来は、αの変動が無いかあるいは
微小であるとして（２）式を用いていた。いうまでもな
くこのことは実用上の大きな制限事項となり、応用範囲
や利便性を損ねていた。

【０００８】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、周囲の状況に影響されないで導電性物体の電極
への挿入量を検出する装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明における根本的概
念は、（２）式のα、即ち各種の不都合が検出装置の物
理的専有空間内では等分に起るであろうとの予測の上に
成り立っている。解決手段を説明するにあたり、先ず静
電式３端子型の共通基本原理を説明する。図３はこの原
理を説明する図である。対向して設けられた送信電極２
と受信電極３の間には導電性物体１がｘだけ挿入され
る。交流電源４より交流電圧が送信電極２に印加され両
電極２，３の間には電気力線が形成される。ここでは一
次近似についてのみ言及し静電容量の縁辺効果や電気力
線の湾曲などについては説明の簡単化のため無視する。

【００１０】この条件によって、電界傾度が同じとき電
気力線は電極全体について等密度で分布する。図３に示
すように、電気力線は収束して電流となって負荷抵抗５
に流れる。もし静電容量を形成する部分のインピーダン
スが負荷抵抗値に比し十分大きいなら、負荷抵抗５に生
成される電圧は、受信電極３に集約される電気力線の総
数に比例する。図３では電気力線は２つのグループに別
れ、それぞれ抵抗負荷５と測定対象である導電性物体１
に集約される様子を示す。電気力線の密度は、電界傾度
に依存するため、受信電極３に流れるａグループと導電
性物体１に流れるｂグループでは密度が異なるが、この
システムで評価の対象となるのは、ａグループの電気力
線であるため、このことが測定に不都合を与えることは
ない。結局、負荷抵抗５に流れる電流は導電性物体１の
挿入量ｘに依存し、その関係は第一次近似として直線的
で、次の式で表される。

【００１１】Ｉ_L＝ｋ・（１−ｘ）ここで、Ｉ_L：負荷抵抗５を流れる電流、ｋ：比例定
数、数字の１：両電極の長さ（導電性物体１の挿入方向
の長さ）を１として表す。なお、ａグループの電気力線
の密度に影響を与えるあらゆる外乱要素は測定誤差の要
因になるので、これを解決するのが本発明の目的であ
る。

【００１２】今まで、印加電圧、換言すれば電圧により
生成される電気力線に関し、ただ１つの周波数だけが存
在する場合を述べたが、ここで複数の周波数成分をもつ
電気力線が混在している場合を考察する。特に周波数成
分の数が２つ、ｆ₁，ｆ₂から成る場合で、それらの周
波数の電気力線の密度が一次元的に次のような分布をな
しているとする。ＥＭｆ_1X＝ｘ …（３）ＥＭｆ_2X＝（１−ｘ）…（４）ここで、ＥＭｆ_1X：ｘ点における周波数ｆ₁の電気力線
密度、ＥＭｆ_2X：ｘ点における周波数ｆ₂の電気力線密
度、ｘ：導電性物体の電極への挿入量、数字の１：両電
極の長さ（導電性物体１の挿入方向の長さ）を１として
表す。

【００１３】図４は電気力線の密度分布を矢印の長さに
置き換えて表した図で、実線は（３）式で示す周波数ｆ
₁の電気力線密度を示し、破線は周波数ｆ₂の電気力線
密度を示す。負荷抵抗５を流れる電流は図３に示すよう
に導電性物体１で遮断されないで受信電極に到達する電
気力線の積分に比例する。ｘの範囲を（０＜ｘ＜１）と
し、積分範囲をｘから１までとすると、電流は次の式で
表される。Ｉ_Lf_1X＝∫ＥＭｆ_1Xｄｘ＝１／２・ｋ（１−ｘ²）＝１／２・ｋ（１−ｘ)(１＋ｘ）Ｉ_Lf_2X＝∫ＥＭｆ_2Xｄｘ＝１／２・ｋ（１−ｘ）² ＝１／２・ｋ（１−ｘ)(１ーｘ）ここでＩ_Lf_1Xは周波数ｆ₁の電気力線により負荷抵抗
５を流れる電流であり、Ｉ_Lf_2Xは周波数ｆ₂の電気力
線により負荷抵抗５を流れる電流である。

【００１４】ここで、Ｉ_Lf_2XとＩ_Lf_1Xとの比を求め
ると次式で表される。Ｉ_Lf_2X／Ｉ_Lf_1X＝（１−ｘ）／（１＋ｘ）…（５）この比は１から極限値としての０までの連続した値をと
る。

【００１５】図５はこの電流の比と挿入量ｘとの関係を
示す。縦軸が電流比Ｉ_Lf_2X／Ｉ_Lf_1Xを示し、横軸が
正規化された挿入量ｘを示す。図５は理論計算結果であ
り、ｘ＝１となる極限値では０／０の不定形となるが、
ｘがとり得る最大値を制限する（例えば0 .8）ことによ
り、実用上の問題はない。この電流の比が決まれば、ｘ
の値は一意に決まるので、ｘに対する測定系が成立し、
電導性物体の電極への挿入量ｘを検出できる。ここで特
筆すべきは、両周波数成分の電流の比を求めることによ
り、ｋの項目が消去されたことである。すなわち、ｋに
影響を与える諸要素、例えば、励振電源電圧、空間誘電
率、送信電極と受信電極間距離、電気力線総数に影響を
与える電極寸法などは、一次近似としては測定値に影響
を与えない。なお、図５の非直線性が問題になるような
応用では、直線化手段、例えば非線形増幅器やルックア
ップテーブル等を適用することにより修正可能である。

【００１６】さらに、別の処理として次の演算を行う。
Ｉ_Lf_1XとＩ_Lf_2Xとの和Ｉ_LAを求める。Ｉ_LA＝１／２・ｋ（１−ｘ)(( １＋ｘ）＋（１−ｘ))＝
ｋ（１−ｘ）また、Ｉ_Lf_1XとＩ_Lf_2Xとの差Ｉ_LDを求める。Ｉ_LD＝Ｉ_Lf_1X−Ｉ_Lf_2X＝１／２・ｋ（１−ｘ)(( １＋ｘ）−（１−ｘ)) ＝ｋ（１−ｘ）ｘ

【００１７】ここで、受信系に対し可変増幅率の増幅器
を導入すれば、ｖを増幅器の増幅率としたときＩ_LA＝ｖｋ（１−ｘ）となる。ｖを適宜調整することによりＩ_LAを常に任意に
定めた固定値Ｃに保つようにすると、ｋ（１−ｘ）＝Ｃ
より電流の差Ｉ_LDは、Ｉ_LD＝Ｃ・ｘｘ＝Ｉ_LD／Ｃ…（６）

【００１８】このように出力電流の差Ｉ_LDと導電性物体
の電極への挿入量ｘは直接比例関係を保つことができ、
しかもｋに依存しない系が構成される。この場合もｘが
１となる極限状態ではＩ_LAをＣに保つためのｖは発散す
るので、ｘの最大値は具体的な設計上の許し得る範囲、
例えば0 .8以下に制限することが望ましい。

【００１９】以上に説明したように、本発明では、送信
電極と受信電極間に生成する電気力線の密度分布を図４
に示すように電極端部から単調増加するものと、この逆
の分布をするものとを発生させ、電極端部から導電性物
体をｘ挿入したときに受信電極に発生する電流を演算処
理することにより、環境定数に依存せず、常に安定した
測定値ｘを得ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】電極間に発生する電気力線の密度
ρは次式に示すように、電極間の電圧ｅ、電極間の距離
Ｌ、及び電極間に存在する空間の誘電率εに依存する。 ρ＝ｋｅε／Ｌ…（７）そこで、電気力線を所望の密度で分布させることは、こ
れらの要素ｅ，ε，Ｌを調整することにより実現され
る。

【００２１】以下、本発明の実施形態を図面を参照して
説明する。図６は本発明の第１実施形態の構成を示す図
である。導電性物体１の挿入方向に平行に送信電極２と
受信電極３が対向して設けられている。送信電極２は第
１電極２ａと第２電極２ｂからなり、並行して配置さ
れ、実質的に等しい形状をなし、抵抗体もしくは使用周
波数において有効なインピーダンスを呈する物体、例え
ばインダクタンスで構成されている。受信電極３は導体
で構成され、どの部分の電位も実質的に一様であり、受
信電極３に集約される電気力線による電流は電気力線の
積分に比例する。受信電極３には負荷抵抗５が接続さ
れ、この負荷抵抗５より出力電圧を取り出す。なお、受
信電極３の構成は以降の実施形態でも同じである。周波
数ｆ１の交流信号Ｓ１を発生する第１電源４ａは第１電
極２ａの導電性物体１が挿入される側（以下挿入端と称
する）の反対端（以下反対端と称する）に接続され、挿
入端は接地されている。周波数ｆ２の交流信号Ｓ２を発
生する第２電源４ｂは第２電極２ｂの挿入端に接続さ
れ、反対端は接地されている。また、交流信号Ｓ１とＳ
２の電圧Ｅ１とＥ２は互いに等しくＥｔに設定される。

【００２２】かかる構成により、第１電極２ａでは挿入
端で０、反対端でＥｔとなる直線的に変化する電圧分布
が得られる。また、第２電極２ｂでは挿入端でＥｔ、反
対端で０となる直線的に変化する電圧分布が得られる。
この電圧の変化形状は送信電極２の抵抗もしくはインピ
ーダンス（以降、インピーダンスとは純抵抗も含めるも
のとする）分布に依存することは明らかであり、送信電
極２のインピーダンス分布が一様であるならば、電気力
線の密度分布は図４に示した分布と等しくなる。本構成
は本発明の根本的要件である電気力線の密度分布を意図
にかなった形状にするという目的を達成している。本実
施形態では受信電極３から取り出される信号のｆ１成分
とｆ２成分の合成は空間及び受信電極３で行われる。第
１電極２ａ、第２電極２ｂの幾何学的相似性及び第１電
極２ａ、第２電極２ｂのそれぞれに対する受信電極３の
対面の公平性は重要である。

【００２３】一方において、第１電極２ａ及び／または
第２電極２ｂのインピーダンス分布を意図的に制御され
た状態に置くならば、図４に相当する電気力線の密度分
布に非直線性を持たせられることは明らかである。そこ
でインピーダンス分布を図５の出力特性（（５）式に示
す電流比）を補整するように設定することによって、爾
後の信号処理における既述の非線形補整は不必要となり
便利である。

【００２４】図７は出力特性を直線化する処理を行なう
ための要件を概念的に説明する図である。軸１の縦目盛
りは導電性物体１の電極への挿入量ｘの基準化された位
置を示し、その他の軸の目盛りはこの位置と対応して示
される。軸２は送信電極２の基準化したインピーダンス
分布を示し、直線的に変化するから、目盛りは軸１と同
じである。軸３は、無処理時の基準化出力（（５）式に
示す電流比）を示す。なお、軸１は図５の横軸を示し、
軸３は縦軸を示す。導電性物体１の電極への挿入量ｘと
基準化出力ｐとは、（５）式と同じ関係が成り立つ。ｐ＝（１−ｘ）／（１＋ｘ）この式から任意のｐに対するｘの位置は次の式で表され
る。ｘ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）

【００２５】そこで、最終的に軸４に示すような直線的
な出力特性を得るためには、軸２のような直線的インピ
ーダンス分布に代えて軸５に示すインピーダンス分布に
すればよいことがわかる。このような非線形インピーダ
ンス分布を作り出す実際の手法は、電極材料やインピー
ダンス作成の具体的手法に依存し、本発明の主旨とは無
関係ではあるが、例えば、電極材料に抵抗体を使うので
あれば、電極の厚みを変化させることによって単位長さ
当りの抵抗値を変えたり、インピーダンスの作成にイン
ダクタンスを使うのであれば、その巻き線ピッチを場所
によって変えるなど、格別の困難はない。本件の実施は
実際の設計において、送信電極に非線形インピーダンス
分布を持たせることと、非線形補整手段を装着すること
との経済性を比較して決定すればよい。

【００２６】図８は受信電極３で得られた電流を処理す
る構成を示す。受信電極３に集約された電流は増幅器１
１により実用的な電圧に変換される。次に周波数ｆ１に
同調したバンドパスフィルタ１２ａ、周波数ｆ２に同調
したバンドパスフィルタ１２ｂを通して、ｆ１成分とｆ
２成分に分離され、整流器１３ａ、整流器１３ｂによっ
て直流信号に変換され、アナログ割算器１４に導かれ、
（５）式で示した方法で導電性物体１の電極２，３への
挿入量ｘが検出される。その後必要に応じて図５で示し
た非線形を非線形補正器１５で線形に補正して最終出力
とする。

【００２７】図９は受信電極３で得られた電流をデジタ
ル素子で処理する装置を示す。整流器１３ａ，１３ｂま
では図８と同じで、その後Ａ／Ｄ変換器１６ａ，１６ｂ
でデジタルデータに変換し、デジタル割算器１７に導か
れ、導電性物体１の電極２，３への挿入量ｘが算出され
る。その後必要に応じて出力をルックアップテーブル１
８を用いて直線に補正して最終出力とする。

【００２８】図１０は図９で示したデジタル処理系にお
いて、デジタル割算器１７とルックアップテーブル１８
を１つの２ポート型ルックアップテーブルに置き換える
ことにより、より簡単化した回路例を示す。このルック
アップテーブル１９は２つのポートの信号のあらゆる組
合せに対し、任意の信号に変換して出力できるので、図
９の２つのブロック１７，１８で行なう演算を１個のブ
ロックに置き換えることができる。ルックアップテーブ
ル１９のサイズについては、Ａ／Ｄ変換後のデータを８
ビットとすれば、アドレスビット数１６、即ち６４キロ
バイト＝５１２キロビットのＲＯＭで実現でき、十分に
実用的である。なお、ルックアップテーブル１９は割算
のみの機能を持つものでもよい。また、図９，図１０の
回路では、Ａ／Ｄ変換後の処理はコンピュータなどのソ
フトウエア的手法を用いることによってこれに代えるこ
とができる。

【００２９】次に第２実施形態について説明する。第１
実施形態の図８〜図１０に示す装置では導電性物体１の
電極への挿入量ｘを（５）式に基づいて電流比から求め
たが、第２実施形態では、電流の和と差を求め（６）式
に基づき挿入量ｘを求める。図１１は第２実施形態の構
成を示す図である。受信電極３に発生した電流は可変増
幅率増幅器２１で増幅され、バンドパスフィルタ２２
ａ，２２ｂにより周波数ｆ１とｆ２の成分に分離され、
それぞれ整流器２３ａ，２３ｂで整流された後、減算器
２４と加算器２５で減算および加算される。制御信号発
生器２６は加算器２５の出力と固定値設定器２７で設定
された固定値Ｃが一致するように可変増幅率増幅器２１
の増幅率を決定する。減算器２４の出力が導電性物体１
の電極への挿入量ｘとなるべき最終出力である。

【００３０】加算器２５の出力は固定値Ｃと比較され、
両者の差に基づいた制御信号で可変増幅率増幅器２１の
増幅率が制御される結果、加算器２５の出力は常に一定
値に保たれる。このとき、減算器２４の出力は（６）式
に示すように導電性物体１の電極への挿入量ｘに直接比
例する。制御信号発生器２６の出力は加算器２５の出力
と固定値Ｃとの差に基づき作成されるが、その手法は任
意であり、例えば、Ｐ動作、ＰＩ動作、ＰＩＤ動作など
が用いられる。本実施形態はフィードバック制御を用い
ているが、他の制御方法も可能である。すなわち周波数
ｆ１とｆ２の検出信号の和の値が評価可能でさえあれ
ば、これによって差の値を後段で再評価し導電性物体１
の電極への挿入量ｘを知るフィードフォワード処理も可
能である。

【００３１】図１２はフィードフォワード制御を用いた
実施形態であり、図１１に示す実施形態の拡張で、実質
的には図１１の装置に含まれる装置である。受信電極３
に発生した電流は増幅器１１で増幅され、バンドパスフ
ィルタ２２ａ，２２ｂにより周波数ｆ１とｆ２の電流に
分離され、それぞれ整流器２３ａ，２３ｂで整流された
後、減算器２４と加算器２５で減算および加算される。
加算器２５の出力は反転器２８で逆数が算出されこの逆
数と減算器２４の出力が掛算器２９で掛算され、この値
が導電性物体１の電極への挿入量ｘとなる。

【００３２】次に第３実施形態を図１３を参照して説明
する。第３実施形態は送信電極２を１個のインピーダン
スで構成し、反対端に第１電源４ａの電圧Ｅｔを印加
し、挿入端に第２電源４ｂの電圧Ｅｔを印加する。これ
により挿入量ｘの位置での周波数ｆ１の電圧はｘＥｔ、
周波数ｆ２の電圧は（１−ｘ）Ｅｔとなり、電気力線の
密度分布は図４に示した実線と破線の成分を合成したも
のが得られる。本実施形態におけるｆ１成分とｆ２成分
の合成は送信電極内で行われる。本実施形態においても
電気力線密度を意図にかなった形状で分布させるという
目的に合致する。さらに本実施形態においても、図７で
説明したように、送信電極２のインピーダンスの変化曲
線を出力特性の非直線性を補整するように分布させるこ
とにより非線形補整回路が不要になることは明らかであ
る。なお、受信電極３以降の構成は、図８〜図１２の何
れかの構成が用いられる。

【００３３】次に第４実施形態を図１４、図１５を参照
して説明する。第４実施形態は（７）式において、電極
間の距離Ｌを調整して電気力線の密度分布を所望の分布
にする方法である。導電性物体１の挿入方向に平行に受
信電極３が設けられている。送信電極２は第１電極２ａ
と第２電極２ｂからなり、第１電極２ａは受信電極３と
の距離が挿入端で離れ反対端で近づくように直線状に傾
斜し、第２電極２ｂは受信電極３に対して第１電極２ａ
と反対の形状に配置されている。両電極２ａ，２ｂは、
実質的に等しい形状をなし、導体で構成されている。受
信電極３は導体で構成され、どの部分の電位も実質的に
一様である。第１電極２ａには第１電源４ａより周波数
ｆ１の電圧Ｅｔが印加され、第２電極２ｂには第２電源
４ｂより周波数ｆ２の電圧Ｅｔが印加されており、両電
極２ａ，２ｂのどの位置の電圧も電源電圧Ｅｔとなって
いる。なお、受信電極３以降の構成は、図８〜図１２の
何れかの構成が用いられる。

【００３４】かかる構成により、周波数ｆ１およびｆ２
の成分の電気力線の密度分布は図４に準じた分布が得ら
れる。ただし送信電極２と受信電極３との距離Ｌの変化
に対し電気力線密度分布は直線的ではなく、直角双曲線
の一部をなして変化するので、受信電極３で得られる電
流の比は図５に示す曲線とは異なる傾向を示す。

【００３５】図１５は送信電極２（第１電極２ａ，第２
電極２ｂ）と受信電極３との距離を平面的に表してい
る。導電性物体１の電極２，３への挿入量ｘにおける周
波数ｆ１とｆ２の電気力線密度、ＥＭｆ_1XとＥＭｆ_2Xは
ｙ＝１−ｘとして次の式で表される。ＥＭｆ_1X＝ｋ／Ｌ１＝ｋ／（ｐｙ＋Ｇ）ＥＭｆ_2X＝ｋ／Ｌ２＝ｋ／（ｐｘ＋Ｇ）ここでｋは係数で周囲環境の影響を受けて変動する。従
って導電性物体１によって遮断される電気力線の積分は
次のようになる。（ｋ／ｐ）log(ｐｙ＋Ｇ）（ｋ／ｐ）log(ｐｘ＋Ｇ）導電性物体１が挿入されないときの電気力線の積分は、
周波数ｆ１とｆ２の電気力線とも同一で（ｋ／ｐ）log
(ｐ＋Ｇ）である。従ってｘだけ遮蔽したときの残留電
気力線の積分は次のようになる。（ｋ／ｐ）log(ｐ＋Ｇ）−（ｋ／ｐ）log(ｐｙ＋Ｇ）（ｋ／ｐ）log(ｐ＋Ｇ）−（ｋ／ｐ）log(ｐｘ＋Ｇ）両者の比Ｉ_LDは次のようになる。

【００３６】

【数１】

【００３７】（８）式ではｋは消去さているため、安定
な検出ができる。ただし本実施形態においてはｐとＧが
単独で変動することは許されない。受信電極３に発生す
る電流の比Ｉ_LDは（８）式で示すように対数曲線となり
直線とはならない。しかし図６、図１３に示した実施形
態における処置に準じ、これを補整するような曲率を持
つ電極を用いて解決できる。なお、本実施形態において
は交流信号Ｓ１，Ｓ２を電気的に混合した後に送信する
ならば、受信電極と送信電極は互いに交換可能である。

【００３８】次に第５実施形態を図１６〜１８を参照し
て説明する。第５実施形態は（７）式において、電極間
の誘電率εを調整して電気力線の密度分布を所望の分布
にする。導電性物体１の挿入方向に平行に送信電極２と
受信電極３が対向して設けられている。送信電極２は第
１電極２ａと第２電極２ｂからなり、並行して配置さ
れ、実質的に等しい形状をなし、導体で構成されてい
る。周波数ｆ１の交流信号Ｓ１を発生する第１電源４ａ
は第１電極２ａに接続され、第１電極２ａを周波数ｆ
１、電圧Ｅｔで駆動する。周波数ｆ２の交流信号Ｓ２を
発生する第２電源４ｂは第２電極２ｂに接続され、第２
電極２ｂを周波数ｆ２、電圧Ｅｔで駆動する。

【００３９】図１７は電極２，３間に設けられる誘電率
変化体６の構造を示す。誘電率変化体６は、例えば、誘
電率の異なる複数の誘電体の粉末を長さ方向に合成誘電
率が直線状に変化するように分布させながら混合し焼成
することによって得られる。図１７の誘電率変化体６は
黒丸により誘電率の高い誘電体の分布を模式的に表した
ものである。図１７Ａは第１電極２ａと受信電極３の間
に誘電率変化体６を配置した状態を示す。誘電率変化体
６はその誘電率が挿入端で低く、反対端で高くなるよう
に配置される。図１７Ｂは第２電極２ｂと受信電極３の
間に誘電率変化体６を配置した状態を示す。誘電率変化
体６の配置を第１電極２ａの場合と逆にしたもので、そ
の誘電率が挿入端で高く、反対端で低くなるように配置
される。なお誘電率変化体６は送信電極２と受信電極３
の間に配置され、導電性物体１に当たらないよういずれ
かの電極２，３に近づけて、または接触させて配置され
る。かかる構成により送信電極２と受信電極３との間に
図４に示した密度分布の電気力線を発生することができ
る。

【００４０】図１８は別の誘電率変化体を示す。誘電体
をくさび状に加工したもので、長さ方向に合成誘電率が
直線状に変化するようにしたものである。図１８Ａは第
１電極２ａと受信電極３の間に誘電率変化体６を配置し
た状態を示す。誘電率変化体６は第１くさび６ａと第２
くさび６ｂからなり、両者は同一形状のくさびよりな
る。第１くさび６ａは誘電率の高い誘電体で構成され、
第２くさび６ｂは誘電率の低い誘電体で構成されてい
る。この組み合わせによって、誘電率変化体６はその合
成変化率が挿入端で低く、反対端で高くなる。両くさび
６ａ，６ｂは図１８Ａに示すように向かい合せ厚みが同
じになるように結合されている。図１８Ｂは第２電極２
ｂと受信電極３の間に誘電率変化体６を配置した状態を
示す。誘電率変化体６の配置を第１電極２ａの場合と逆
にしたもので、その合成誘電率が挿入端で高く、反対端
で低くなるように配置される。かかる構成により送信電
極２と受信電極３との間に図４に示した密度分布の電気
力線を発生することができる。なお、上の説明では２個
のくさびを組み合わせて用いたが、いずれか一方のくさ
びのみを用いてもよい。

【００４１】次に第６実施形態を図１９を参照して説明
する。第１〜５実施形態ではいずれも励振源として２つ
の周波数ｆ１とｆ２を同時に、つまり１つの時間帯で用
いたが、第６実施形態では１つの周波数を２つの時間帯
で用いる。この方法はいずれの実施形態にも適用可能で
あるが、図１３に示した第３実施形態に適用した場合を
説明する。

【００４２】図１９において、周波数ｆ１の交流信号Ｓ
１を発生する第１電源４ａに転換スイッチ７を接続し、
この転換スイッチ７を送信電極２に接続する。これによ
り送信電極２の一端を第１電源４ａに接続し、他端を接
地する接続と、この逆の接続を転換スイッチ７により行
なうことができる。受信電極３には増幅器１１、Ａ／Ｄ
変換器１６、メモリ３０、デジタル割算器１７が接続さ
れている。

【００４３】かかる構成により、第１電源２ａを投入す
ると、送信電極２と受信電極３間には図４の実線（また
は破線）で示す電気力線の密度分布が得られる。この時
収集されたデータはＡ／Ｄ変換された後、一旦メモリ３
０に蓄えられる。その後転換スイッチ７を転換すると、
電気力線密度分布は図４の破線（または実線）で示すよ
うになる。このときのデータをＡ／Ｄ変換しメモリ３０
に蓄えられたデータとともにデジタル割算器１７で処理
することにより、導電性物体１の電極２，３への挿入量
ｘを算出することができる。本実施形態は、電源、バン
ドパスフィルタ、Ａ／Ｄ変換器はそれぞれ１個でよいの
で、経済的に優れており、また現在一般的となったコン
ピュータでの信号処理にも向いている。

【００４４】以上に説明した実施形態では、ｘ＝１とな
る極限状態では基本的に演算が実施困難であり、ｘの範
囲を、例えば、０＜ｘ＜0 .8となるように制限すべきで
あると説明した。このことは実用上決定的な問題点とは
ならないが、できれば改良されることが望ましい。図２
０はこの問題点を解決した実施形態の１つである。電極
２，３は図１３で説明した装置が用いられており、送信
電極２の反対端にバイアスインピーダンス８を介して第
１電源４ａが接続されている。このバイアスインピーダ
ンス８の値を、送信電極２の２つの給電点間のインピー
ダンスの例えば１／４に設定する。これにより図４に相
当する電気力線密度分布は図２１に示す１点鎖線より下
の部分だけが生成される。一方受信電極３に発生した電
流は増幅器１１で実用的な電圧に変換される。次に周波
数ｆ１に同調したバンドパスフィルタ１２ａ、周波数ｆ
２に同調したバンドパスフィルタ１２ｂを通して、ｆ１
成分とｆ２成分に分離され、整流器１３ａ、整流器１３
ｂによって直流信号に変換され、それぞれ加算器３１
ａ，３１ｂに導かれ、Ｂ１，Ｂ２なる固定電圧が加算さ
れる。このＢ１，Ｂ２の値はそれぞれ図２１の１点鎖線
より上の部分の実線及び破線で示した電気力線の積分に
相当する値に設定してある。この加算したそれぞれの値
を割算器１４で割算することより、挿入量ｘが得られ
る。この構成では、見掛け上、導電性物体１を電極２の
最深部まで挿入されたとしても、構成全体の信号処理の
流れからみれば、ｘ＜0 .8の条件が保たれているため、
導電性物体１のいかなる挿入位置においても演算が困難
または不可能になることはない。ｘがとることを許され
る最大値（今までの説明では0 .8）は主に、実際のシス
テムが遭遇する信号と雑音の比から決定するとよい。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、静電式３端子型導電性物体端部検出装置が持
つ、本質的な不安定性、即ち、電圧、電極間距離、誘電
率等の変化に代表される外部要因による測定値の変動を
解消した装置を構成することが可能になる。なお、信号
源として実施形態では２つの周波数による構成例を示し
たが、実用上、２を越える周波数を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】導電性物体の挿入量を静電容量の変化により検
出する装置の基本回路図である。

【図２】導電性物体の挿入量を電気力線の変化により検
出する装置の基本回路図である。

【図３】静電式３端子型検出器の基本動作を示す概念図
である。

【図４】本発明の基本要件となる電気力線の密度分布を
示す図である。

【図５】本発明の導電性物体の端部位置と出力信号との
関係を示す理論的曲線を示す図である。

【図６】第１実施形態の構成を示す図である。

【図７】出力（電流比）の非直線性を矯正するための送
信電極に対する要件を説明する図である。

【図８】受信電極で得られた信号を処理するブロック図
である。

【図９】受信電極で得られた信号をデジタル信号に変換
して処理するブロック図である。

【図１０】図９のブロック図を改良しデジタル増幅器と
ルックアップテーブルを１個のルックアップテーブルに
置き換えたブロック図である。

【図１１】第２実施形態の構成を示す図で、受信電極で
得られる電流の和と差から挿入量ｘを検出するブロック
図である。

【図１２】図１１のブロック図を変形したブロック図で
ある。

【図１３】第３実施形態の構成を示す図である。

【図１４】第４実施形態の構成を示す図である。

【図１５】送信電極と受信電極との距離の変化を示す図
である。

【図１６】第５実施形態の構成を示す図である。

【図１７】送信電極と受信電極間の合成誘電率を連続的
に変化させる方法を示す図である。

【図１８】送信電極と受信電極間の合成誘電率を連続的
に変化させる別の方法を示す図である。

【図１９】第６実施形態の構成を示す図である。

【図２０】挿入量ｘが１に近づき演算が不安定になる領
域を回避する方法を示す図である。

【図２１】送信電極と受信電極間の電気力線の密度分布
を示す図である。

【符号の説明】

１導電性物体２送信電極２ａ第１電極２ｂ第２電極３受信電極４ａ第１電源４ｂ第２電源５負荷抵抗６誘電率変化体６ａ第１くさび６ｂ第２くさび７転換スイッチ８バイアスインピーダンス１１増幅器１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂバンドパスフィルタ１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ整流器１４アナログ割算器１５非線形補正器１６，１６ａ，１６ｂＡ／Ｄ変換器１７デジタル割算器１８，１９ルックアップテーブル２１可変増幅率増幅器２４減算器２５加算器２６制御信号発生器２７固定値設定器２８反転器２９掛算器３０メモリ３１ａ，３１ｂ加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性物体の端部の移動方向に対し平行
に配置された送信電極と、前記導電性物体を挟んで前記
送信電極に対向して配置された受信電極と、前記送信電
極に周波数ｆ１の交流信号Ｓ１と周波数ｆ２の交流信号
Ｓ２を印加する電源と、前記受信電極に発生する周波数
ｆ１の電流Ｉ１と周波数ｆ２の電流Ｉ２より前記導電性
物体の端部の前記送信電極と前記受信電極の間への挿入
量を検出する検出手段と、を備え、前記交流信号Ｓ１に
より発生する電気力線は導電性物体の端部移動方向に連
続的にかつ単調増加する密度分布であり、前記交流信号
Ｓ２により発生する電気力線は交流信号Ｓ１により発生
する電気力線の密度分布と逆形状の密度分布であること
を特徴とする導電性物体の端部検出装置。
【請求項２】前記検出手段は前記電流Ｉ１と前記電流
Ｉ２との比から前記導電性物体の端部の挿入量を検出す
ることを特徴とする請求項１記載の導電性物体の端部検
出装置。
【請求項３】前記検出手段は前記電流Ｉ１と前記電流
Ｉ２とをデジタルデータに変換しテーブルにより両者の
比を求め、この比から前記導電性物体の端部の挿入量を
検出することを特徴とする請求項１記載の導電性物体の
端部検出装置。
【請求項４】前記検出手段は前記電流Ｉ１と前記電流
Ｉ２との和が常に一定値となるように両電流Ｉ１，Ｉ２
を共通の増幅率で増幅し得られた電流Ｉ１ｖと電流Ｉ２
ｖの差から前記導電性物体の端部の挿入量を検出するこ
とを特徴とする請求項１記載の導電性物体の端部検出装
置。
【請求項５】前記送信電極は、前記交流信号Ｓ１を一
端に印加され他端は接地されており抵抗で構成された第
１電極と、該第１電極に並んで設けられ前記交流信号Ｓ
２を前記第１電極と反対端に印加され他端は接地されて
おり抵抗で構成された第２電極とからなることを特徴と
する請求項１記載の導電性物体の端部検出装置。
【請求項６】前記送信電極は前記交流信号Ｓ１を印加
される導体よりなる第１電極と、前記交流信号Ｓ２を印
加される導体よりなる第２電極とで構成され、前記第１
電極と前記受信電極との距離は前記導電性物体の挿入方
向に変化し、前記第２電極と前記受信電極との距離は前
記導電性物体の挿入方向に前記第１電極の場合と逆に変
化していることを特徴とする請求項１記載の導電性物体
の端部検出装置。
【請求項７】前記送信電極は前記交流信号Ｓ１を印加
される導体よりなる第１電極と、前記交流信号Ｓ２を印
加される導体よりなる第２電極とで構成され、前記第１
電極の前面に合成誘電率の大きさが前記導電性物体の移
動方向に変化する第１誘電率変化体を設け、前記第２電
極の前面に合成誘電率の大きさが前記導電性物体の移動
方向に第１電極と逆に変化する第２誘電率変化体を設け
たことを特徴とする請求項１記載の導電性物体の端部検
出装置。
【請求項８】前記送信電極は、前記周波数ｆ１とｆ２
を同一または異なった周波数とし、前記交流信号Ｓ１と
Ｓ２とを送信する時間を異なった時間とし、前記検出手
段は、最初に送信した信号に基づく電流Ｉ１を後から送
信した信号に基づく電流Ｉ２が得られるまで保持し、両
電流Ｉ１，Ｉ２より前記導電性物体の端部の挿入量を検
出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記
載の導電性物体の端部検出装置。
【請求項９】前記送信電極は、前記交流信号Ｓ１を一
端に印加され他端に前記交流信号Ｓ２を印加され、抵抗
よりなる１個の電極で構成されていることを特徴とする
請求項１記載の導電性物体の端部検出装置。
【請求項１０】前記送信電極は、前記周波数ｆ１とｆ
２を同一または異なった周波数とし、前記交流信号Ｓ１
とＳ２とを送信する時間を異なった時間とし、交流信号
Ｓ１を送信するときは交流信号Ｓ２を印加する端部は接
地し、交流信号Ｓ２を送信するときは交流信号Ｓ１を印
加する端部は接地し、前記検出手段は、最初に送信した
信号に基づく電流Ｉ１を後から送信した信号に基づく電
流Ｉ２が得られるまで保持し、両電流Ｉ１，Ｉ２より前
記導電性物体の端部の挿入量を検出することを特徴とす
る請求項９に記載の導電性物体の端部検出装置。