JP2001194105A - 静電容量式変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 寄生容量増大をもたらすことなくヘッド面を
小さくしたセンサヘッドを持つ静電容量式変位センサを
提供する。 【解決手段】 センサヘッド１は、センサ電極２とこれ
を取り囲むリング状の基準電極３により構成される。セ
ンサ電極２は、交流信号が直接供給される基端部１１
と、この基端部１１上に円錐状の誘電体コラム１３を介
して配置された、基端部１１より径が小さい先端部１２
とを有する。基準電極３は、基端部１１と略同じ面位置
に基端部１１を取り囲むようにリング状に配置された基
端部１４と、この基端部１４上に中空円錐状の誘電体ホ
ーン１６を介在して配置された、基端部１４より径が小
さい先端部１５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、導体からなる計
測面の位置（変位）を、この計測面にセンサヘッドを対
向させて、その間の静電容量を利用して検出する静電容
量式変位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、金属の表面位置等を非接触で
測定するために、静電容量式変位センサが用いられてい
る。この種の静電容式変位センサのセンサヘッドは、セ
ンサ電極と、このセンサ電極を取り囲むようにリング状
に配置された基準電極とから構成される（例えば、特開
平９−２８０８０６号公報、特開平１０−３３２３１２
号公報等）。この様なセンサヘッドのセンサ電極を高周
波信号で駆動すると、センサヘッドと計測面の間の距離
（即ち容量）に応じて、高周波電流が変化し、センサ電
極の端子電圧が変化する。従ってセンサ電極の端子電圧
を検出することにより、センサヘッドと計測面の間の距
離を測ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】静電容量式変位センサ
の検出感度を高いものとするためには、センサヘッドと
計測面との間の容量が大きいことが望ましい。そのため
には、センサヘッドの計測面に対向するヘッド面の面積
が大きいこと、或いは計測面との間の距離が小さい状態
とすることが必要である。しかし、ヘッド面を大きくし
てしかもこれを計測面に近接させようとすると、センサ
ヘッドが対向する計測面の状態を目視できなくなる。一
方、ヘッド面の面積が大きい場合には、これが対向する
計測面の平坦性が要求される。もしヘッド面の大きさの
範囲で計測面に凹凸があると、測定値は凹凸の調和平均
化されたものとなる。従って、計測面をスキャンして微
細な段差等を検出することが難しくなる。言い換えれ
ば、センサヘッドの横方向分解能が低いものとなる。

【０００４】センサヘッドの横方向分解能を高くするた
めには、ヘッド面の面積を小さくすればよい。センサヘ
ッドの基端には高周波発振源等を内蔵させる場合には、
基端部径はある程度の大きさが必要である。センサヘッ
ドの基端部の径をある程度保持しながら、ヘッド面の径
を小さくするため、しかもヘッド面の対向する計測部位
を目視可能とするためには、センサヘッドを先端に行く
ほど径を絞った円錐状に加工すればよい。しかし、この
様なセンサヘッド構造にすると、別の問題が発生する。
中心のセンサ電極とこれを取り囲む基準電極とが微細な
距離で隣接することになるため、その間に大きな寄生容
量が入ることである。この寄生容量は、小さいヘッド面
と計測面の間の容量を検出する場合に、検出感度低下を
もたらす。

【０００５】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、寄生容量増大をもたらすことなくヘッド面を小
さくしたセンサヘッドを持つ静電容量式変位センサを提
供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、導体からな
る計測面に対向するセンサ電極とこれを取り囲むリング
状の基準電極とを有するセンサヘッドと、前記センサ電
極を交流信号により駆動する駆動手段と、前記センサ電
極と計測面との間の容量に応じて変化する前記センサ電
極の端子電圧を検出する検出手段とを備えた静電容量式
変位センサにおいて、前記センサ電極は、前記駆動手段
からの交流信号が直接供給される第１の基端部と、この
第１の基端部上に円錐状部材を介して配置された前記第
１の基端部より径が小さい第１の先端部とを有し、前記
基準電極は、前記第１の基端部と略同じ面位置に前記第
１の基端部を取り囲むようにリング状に配置された第２
の基端部と、この第２の基端部上に中空円錐状部材を介
して配置された前記第２の基端部より径が小さい第２の
先端部とを有し、且つ前記円錐状部材、中空円錐状部材
の少なくとも一方が誘電体により構成されていることを
特徴とする。

【０００７】この発明によると、センサヘッドのセンサ
電極及び基準電極の少なくとも一方について、先端部と
基端部の間に誘電体を介在させた構造として、センサヘ
ッドの径を絞るようにしている。これにより、センサヘ
ッドを導体のみで構成してその径を先端に行くほど絞っ
た場合と異なり、センサ電極と基準電極の間の寄生容量
の増大が抑えられる。センサヘッドの基端部と先端部の
間に誘電体を介在させると、基端部に与えられる高周波
信号は容量結合により先端部まで伝送される。このと
き、基端部から先端部への高周波信号の振幅伝達率は、
誘電体による容量と、センサ電極と計測面との間の容量
による容量結合比で決まる。誘電体材料として大きな比
誘電率のものを用いれば、先端部に十分なレベルの高周
波駆動信号を与えることができる。

【０００８】この発明において、センサ電極の基端部と
先端部の間に介在させる部材は、円錐状部材（以下、コ
ラムという）となり、基準電極の基端部と先端部に介在
させる部材は、中空円錐状部材（以下、ホーンという）
となる。この場合、（ａ）コラムとホーンを共に誘電体
により構成するタイプと、（ｂ）コラムのみを誘電体に
より構成するタイプと、（ｃ）ホーンのみを誘電体によ
り構成するタイプの３タイプが考えれる。（ｂ）のタイ
プのときは、基端部からホーン及び先端部までを一体の
導体により構成することができる。同様に（ｃ）のタイ
プのときは、基端部からコラム及び先端部までを一体の
導体により構成することができる。

【０００９】この発明はまた、導体からなる計測面に対
向するセンサ電極とこれを取り囲むリング状の基準電極
とを有するセンサヘッドと、前記センサ電極を交流信号
により駆動する駆動手段と、前記センサ電極と計測面と
の間の容量に応じて変化する前記センサ電極の端子電圧
を検出する検出手段とを備えた静電容量式変位センサに
おいて、前記駆動手段は、高周波発振源と、この高周波
発振源の発振出力を前記センサヘッドのセンサ電極に供
給するための、（１／２＋ｎ／２）λ（但し、λは発振
波長、ｎは正の整数）の長さの同軸ケーブルとを有し、
前記検出手段として、前記同軸ケーブルの（１／４＋ｍ
／２）λ（但し、ｍは０以上でｎ以下の整数）の位置に
取り付けられた高周波電圧検出回路を有することを特徴
とする。

【００１０】この様な構成において、高周波発振源によ
って同軸ケーブルの一端を電圧駆動すると、他端はセン
サヘッド部の静電容量であるのでインピーダンス整合は
とれず、反射して定在波が発生する。この定在波は両端
で「腹」、λ／４毎に「節」と「腹」が交互に現れるモ
ードとなる。そこでセンサヘッドを計測面に対向させ、
所定の距離のとき、「節」の位置を求め、その位置に高
周波検出回路を設けておけば、計測面の微小な変位を検
出することができる。即ち、計測面の微小な変位が静電
容量の変化を引き起こし、反射率が変化し、定在波が変
わり、「節」の位置が移動し、いままで「節」であった
ところの高周波振幅が変化する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。 ［実施の形態１］図１は、この発明の実施の形態１によ
る静電容量式変位センサのセンサヘッド１の断面構造で
あり、図２はその分解斜視図である。センサヘッド１
は、センサ電極２とこれを取り囲むリング状の基準電極
３とから構成されている。センサ電極２は、基端部１１
と先端部１２を有し、これらの間には円錐状に形成され
た部材であるコラム１３を介在させている。基端部１１
及び先端部１２は共に導体、具体的には金属であり、コ
ラム１３は誘電体である。基準電極３も同様に、基端部
１１と同じ面位置の基端部１４と、先端部１２と同じ面
位置の先端部１５を有し、これらの間には中空円錐状に
形成されたホーン１６を介在させている。基端部１４及
び先端部１５は共に導体、具体的には金属であり、ホー
ン１６は誘電体である。

【００１２】コラム１３及びホーン１６には好ましく
は、チタン酸バリウム（比誘電率５０００）が用いられ
る。また先端部１２，１５にはこれらのコラム１３及び
ホーン１６の先端にスパッタにより形成された金属膜が
用いられる。センサ電極２の基端部１１と基準電極３の
基端部１４とは適当な絶縁体１７により電気的に絶縁さ
れて同心的に保持されている。

【００１３】以上のように、この実施の形態のセンサヘ
ッド１は、コラム１３とホーン１６を介在させることに
より先端に行くにつけて径が絞られている。図２に示す
ように、基端部１１，１４での外径がＤ１に対し、先端
部１２，１５での外径はより小さく、Ｄ２（＜Ｄ１）と
なる。具体的に例えば、コラム１３及びホーン１６の部
分の長さをＨ＝５ｍｍ程度とし、センサヘッド１全体の
先端部の外径をＤ２＝１ｍｍ程度とする。

【００１４】この実施の形態では、基準電極３の基端部
１４の後方には、これと連続的に筒状体１８が形成され
ており、その筒状体１８の内部に高周波発振源４が配置
されている。高周波発振源４は例えば、トランジスタＱ
と、トランスＴの一次巻線とキャパシタＣからなるＬＣ
発振回路を用いて構成される。図ではトランジスタＱの
バイアス回路を省略している。トランスＴの二次側出力
は、整流ダイオードＤにより半波整流されて、センサ電
極２の基端部１１に供給される。

【００１５】センサ電極２の基端部１１に高周波駆動信
号が供給されると、容量結合により先端部１２に高周波
駆動信号が与えられる。そして、センサヘッド１と計測
面との間の距離ｘに応じて高周波電流が変化し、先端部
１２の端子電圧が変化する。このとき距離ｘの関数とな
る高周波電流の変化は、トランスＴと基準電極３の基端
部１４との間に接続された抵抗Ｒの端子電圧として検出
することができる。

【００１６】具体的にこの実施の形態において、センサ
電極２の基端部１１に印加される高周波信号により先端
部１２が駆動される様子を、図３を参照して説明する。
図３に示すように、センサ電極２の基端部１１と先端部
１２の間のコラム１３が挟まれた部分の容量をＣ１と
し、先端部１２と計測面の間の容量をＣ２とする。この
とき、計測面を接地電位とし、基端部１１にある電位Ｖ
１を与えたとき、先端部１２に容量結合される電位は、
次のようになる。

【００１７】

【数１】Ｖ２＝Ｃ１・Ｖ１／（Ｃ１＋Ｃ２）

【００１８】コラム１３には比誘電率の極めて大きい誘
電体を用いているため、容量Ｃ１はＣ２より十分に大き
い状態に設定することができる。例えば、コラム１３の
部分の長さをＨ、先端部１３と計測面の間の距離をｘと
して、容量Ｃ１，Ｃ２の関係はほぼ、Ｃ１／Ｃ２＝（ε
１・ｘ）／（ε２・Ｈ）と表される。ε１，ε２はそれ
ぞれ、誘電体，空気の誘電率である。誘電体にチタン酸
バリウムを用いた場合、その比誘電率は約５０００であ
る。また具体例として、Ｈ＝１ｍｍ，ｘ＝０．０１ｍｍ
の数値を用いると、容量比はおよそ、Ｃ１／Ｃ２＝１０
となる。この様な容量関係の場合、先の数１から明らか
なように、基端部１１に与えられる電位Ｖ１がほぼその
まま先端部１２に結合されることがわかる。

【００１９】以上の説明から明らかなように、センサヘ
ッド１が計測面から大きく離れた状態では、高周波駆動
信号はもはやセンサ電極２の先端部１２に殆ど供給され
ない。しかしこれは、非計測時であるから問題はない。
また、コラム１３及びホーン１６の長さＨが極端に長い
場合には、高周波駆動信号の先端部への結合効率が低い
ものとなる。従って、計測すべき距離範囲との関係で、
長さＨを最適設定することが必要になる。

【００２０】この実施の形態によると、先端部と基端部
の間に誘電体を介在させた構造とすることにより、セン
サ電極２と基準電極３の間の寄生容量の増大を抑えなが
ら、センサヘッド１の径を絞ることができる。これによ
り、センサヘッド１のヘッド面を小さくして、高い横方
向分解能を実現することができる。また、センサヘッド
１の先端外径Ｄ２を１ｍｍ程度とすれば、計測面に対す
るセンサヘッド１の先端面の平行度を保持することは、
目視と軸方向の微動機構により可能である。

【００２１】［実施の形態２］図４は、実施の形態２に
よるセンサヘッド１ａの断面構造を図１に対応させて示
している。図１の実施の形態１と異なる点は、センサ電
極２の基端部１１からコラム１３及び先端部１２まで
を、一体の導体、例えば金属により形成していることで
ある。またこの実施の形態２では、センサ電極２の先端
部１２を、基準電極３の先端部１３の面と同じ面位置と
し、且つ針状電極として加工している。

【００２２】この実施の形態２によっても先の実施の形
態１と同様の効果が得られる。またこの実施の形態２の
場合、センサ電極２の先端を針状電極として基準電極３
の先端部１５の面より突出させている結果、電界集中が
高くなり、一層の検出感度向上及び横方向分解能向上が
図られる。

【００２３】［実施の形態３］図５は、実施の形態３に
よるセンサヘッド１ｂの断面構造を図１に対応させて示
している。図１の実施の形態１と異なる点は、基準電極
３の基端部１４からホーン１６及び先端部１５までを一
体の導体、例えば金属により形成していることである。
この実施の形態３によっても先の実施の形態１と同様の
効果が得られる。

【００２４】［実施の形態４］図６は、実施の形態１に
よるセンサヘッド１を用いて、実施の形態１とは異なる
駆動方式を適用した実施の形態４である。高周波発振源
５は、センサヘッド１の外に設けられる。高周波発振源
５の出力をセンサヘッド１のセンサ電極２に与えるため
に、同軸ケーブル６が用いられている。同軸ケーブル６
の長さＬ１は、高周波発振源５の発振波長をλとして、
（１／２＋ｎ／２）λ（ｎは正の整数）に調整されてい
る。高周波発振源５の出力は同軸ケーブル６の一端に接
続される。同軸ケーブル６の他端にはセンサヘッド部が
接続される。

【００２５】高周波発振源５は電圧励振であり、センサ
ヘッドは静電容量式なので、同軸ケーブル６は両端とも
インピーダンス整合はとれず、ほぼ同相反射として扱う
ことができ、同軸ケーブル６には定在波が発生する。こ
のとき定在波比、「節」の位置は、センサヘッドの静電
容量の値によって変化する。そこでこのインピーダンス
反射条件を検出するために、同軸ケーブル６の途中に高
周波電圧検出回路７が接続されている。高周波電圧検出
回路７は、同軸ケーブル６の中心導体に、ダイオードＤ
ｉを介し抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１の並列回路が接続さ
れ、その抵抗Ｒ１側に挿入された定在波比（Standing W
ave Ratio）メータ７１を有する。

【００２６】高周波電圧検出回路７が接続される位置
は、例えば先端からの距離Ｌ２としてＬ２＝（１／４＋
ｍ／２）λ（但し、ｍは０，１，…，ｎから選ばれた整
数）とする。この位置で高周波電圧を監視すると、負荷
容量が基準値の場合、検出出力はゼロである。センサヘ
ッド１と計測面との間の距離が変化して負荷容量が基準
値からずれると、インピーダンス反射条件が崩れ、大き
な高周波電圧が検出される。従ってこの実施の形態によ
ると、センサヘッド１により、計測面の僅かの位置変動
を感度よく検出することが可能になる。

【００２７】なお実施の形態４ではセンサヘッド１とし
て、誘電体からなるコラム１３とホーン１６用いて先端
の径を小さくしたものを用いたが、図４或いは図５のセ
ンサヘッド１ａ或いは１ｂを用いることもできる。更に
この実施の形態４の同軸ケーブルを用いた駆動方式は、
従来の形式の静電容量式変位センサヘッドにも適用して
有効である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、誘
電体のコラム又はホーンを用いてセンサヘッドの先端部
の径を絞ることにより、寄生容量増大をもたらすことな
くヘッド面を小さくしたセンサヘッドを持つ静電容量式
変位センサを提供することができる。また、同軸ケーブ
ルを用いて高周波信号をセンサヘッドに供給し、インピ
ーダンス反射条件の成否により負荷変動を検出する駆動
方式を用いることにより、計測面の位置を高感度に測定
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるセンサヘッド
１の構造を示す図である。

【図２】 同実施の形態１のセンサヘッド１の分解斜視
図である。

【図３】 同実施の形態１の駆動条件を説明するための
図である。

【図４】 この発明の実施の形態２によるセンサヘッド
１ａの構造を示す図である。

【図５】 この発明の実施の形態３によるセンサヘッド
１ｂの構造を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態４によるセンサヘッド
とその駆動及び検出回路の構成を示す図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…センサヘッド、２…センサ電極、１１
…基端部、１２…先端部、１３…コラム、３…基準電
極、１４…基端部、１５…先端部、１６…ホーン、４，
５…高周波発振源、６…同軸ケーブル、７…高周波電圧
検出回路。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導体からなる計測面に対向するセンサ電
   極とこれを取り囲むリング状の基準電極とを有するセン
   サヘッドと、 前記センサ電極を交流信号により駆動する駆動手段と、 前記センサ電極と計測面との間の容量に応じて変化する
   前記センサ電極の端子電圧を検出する検出手段とを備え
   た静電容量式変位センサにおいて、 前記センサ電極は、前記駆動手段からの交流信号が直接
   供給される第１の基端部と、この第１の基端部上に円錐
   状部材を介して配置された前記第１の基端部より径が小
   さい第１の先端部とを有し、 前記基準電極は、前記第１の基端部と略同じ面位置に前
   記第１の基端部を取り囲むようにリング状に配置された
   第２の基端部と、この第２の基端部上に中空円錐状部材
   を介して配置された前記第２の基端部より径が小さい第
   ２の先端部とを有し、且つ前記円錐状部材、中空円錐状
   部材の少なくとも一方が誘電体により構成されているこ
   とを特徴とする静電容量式変位センサ。
2. 【請求項２】 前記円錐状部材及び中空円錐状部材が共
   に誘電体であることを特徴とする請求項１記載の静電容
   量式変位センサ。
3. 【請求項３】 前記中空円錐状部材が誘電体であり、前
   記第１の基端部、円錐状部材及び第１の先端部が導体に
   より一体形成されて、前記第１の先端部の先端が針状に
   加工されていることを特徴とする請求項１記載の静電容
   量式変位センサ。
4. 【請求項４】 前記円錐状部材が誘電体であり、前記第
   ２の基端部、中空円錐状部材及び第２の先端部が導体に
   より一体形成されていることを特徴とする請求項１記載
   の静電容量式変位センサ。
5. 【請求項５】 前記第２の基端部は筒状に加工され、そ
   の内部に前記駆動手段としての高周波発振源が配置され
   ることを特徴とする請求項１記載の静電容量式変位セン
   サ。
6. 【請求項６】 導体からなる計測面に対向するセンサ電
   極とこれを取り囲むリング状の基準電極とを有するセン
   サヘッドと、 前記センサ電極を交流信号により駆動する駆動手段と、 前記センサ電極と計測面との間の容量に応じて変化する
   前記センサ電極の端子電圧を検出する検出手段とを備え
   た静電容量式変位センサにおいて、 前記駆動手段は、高周波発振源と、この高周波発振源の
   発振出力を前記センサヘッドのセンサ電極に供給するた
   めの、（１／２＋ｎ／２）λ（但し、λは発振波長、ｎ
   は正の整数）の長さの同軸ケーブルとを有し、 前記検出手段として、前記同軸ケーブルの（１／４＋ｍ
   ／２）λ（但し、ｍは０以上でｎ以下の整数）の位置に
   取り付けられた高周波電圧検出回路を有することを特徴
   とする静電容量式変位センサ。
7. 【請求項７】 前記センサ電極は、前記駆動手段からの
   交流信号が直接供給される第１の基端部と、この第１の
   基端部上に円錐状部材を介して配置された前記第１の基
   端部より径が小さい先端部とを有し、 前記基準電極は、前記第１の基端部と略同じ面位置に前
   記第１の基端部を取り囲むようにリング状に配置された
   第２の基端部と、この第２の基端部上に中空円錐状部材
   を介して配置された前記第２の基端部より径が小さく設
   定された第２の先端部とを有し、且つ前記円錐状部材、
   中空円錐状部材の少なくとも一方が誘電体により構成さ
   れていることを特徴とする請求項６記載の静電容量式変
   位センサ。