JP2001241948A - 静電容量型傾斜角度センサ - Google Patents

静電容量型傾斜角度センサ

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JP2001241948A
JP2001241948A JP2000055862A JP2000055862A JP2001241948A JP 2001241948 A JP2001241948 A JP 2001241948A JP 2000055862 A JP2000055862 A JP 2000055862A JP 2000055862 A JP2000055862 A JP 2000055862A JP 2001241948 A JP2001241948 A JP 2001241948A
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sensor
capacitance
electrode
operational amplifier
angle sensor
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Satoshi Kiyono
慧 清野
Sechu Cho
世宙 張
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Tohoku Techno Arch Co Ltd
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Tohoku Techno Arch Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】外部からの電磁ノイズにも強く、温度ドリフト
等の影響を受けにくい静電容量型傾斜角度センサの提供 【解決手段】静電容量型傾斜角度センサ100は、水平
である端面上に、保護リング110、絶縁体120、ガ
ード・リング130を設け、ガード・リング130内に
センサ電極150がある。センサ電極150は、円を4
分割した形状をした電極で、互いにx軸、y軸に対して
対称であるように配置されている電極151,152,
153,154から構成されている。保護リング11
0、ガード・リング130、センサの4つの同じ形の電
極(子センサ)151〜154は、それぞれ絶縁体12
0,140で絶縁されている。この4つの電極とターゲ
ット面160との間の静電容量を量ることにより、ター
ゲット面160に対するセンサの傾斜を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、傾斜を計測するこ
とができる傾斜角度センサに関し、特に静電容量型の傾
斜角度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】形状測定や精密移動体の姿勢にとって角
度センサの利用が大変有効であることが、最近の我が国
の研究で知られるようになってきた。そこで、インプロ
セス計測への利用や、非鏡面対象への利用が可能な光学
式以外の原理による角度センサの開発が切望されてい
る。しかし、光を使わない角度センサとしては、用途の
限られた水準器以外には、内外とも研究も開発も行なわ
れていないのが現状である。
【0003】従来、光を使えない状況での角度の検出に
は、例えば、静電容量型変位センサを複数個一体化して
差動変位を求める方法が使われる。しかしこの方法で
は、1つの変位センサの検出電極の大きさに比べて、一
体化した複数のセンサの全開口面積が広くなり、局部的
な傾斜角を正確に求めることができない。また、各変位
センサのドリフト特性や非線形特性の不一致のため、角
度出力の安定性や精度が著しく悪くなるという難点があ
る。静電容量型センサの外部からの電磁ノイズによる影
響を受けやすい。また、静電容量型センサは、温度ドリ
フトの大きいことも弱点である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、外部
からの電磁ノイズにも強く、温度ドリフト等の影響を受
けにくい静電容量型角度センサを提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、水平である端面上にセンサ電極を設け、
センサ電極とターゲット面との静電容量を計測して傾斜
角度を得る静電容量型傾斜角度センサにおいて、互いに
対称であるように配置されている4つの同じ形のセンサ
電極と、前記4つのセンサ電極の周囲に設けたガード電
極とを備え、前記電極は互いに絶縁されており、前記4
つのセンサ電極の容量変化の差から2次元の角度出力を
得ることを特徴とする。ガード電極を設け、その内側に
センサ電極を設置しているため、外部からの電磁ノイズ
を防ぐことができる。また、4つの電極を一体化したこ
とにより、環境の温度変化に対する機械的な特性や電気
的な特性が一致するので、温度ドリフト等を低減するこ
とができる。
【0006】前記センサ電極は、円を4分割した形と
し、前記ガード電極はリング状とすることもできる。ま
た、2次元の角度出力θx,θyは、以下の式により求め
ることができる。
【数2】 ただし、Viは、1つのセンサ電極の静電容量変化に比
例する電圧出力で、x軸とy軸に対する傾斜による電圧
変化であり、Sx,Syはそれぞれx軸とy軸の傾斜変位
に対する平均感度である。
【0007】前記センサ電極の静電容量変化に比例する
電圧出力は、交流電源と、リファレンス・コンデンサ
と、オペアンプとを有する回路で出力することができ、
この回路は、前記リファレンス・コンデンサは前記交流
電源と前記オペアンプの入力端と直列に接続され、前記
オペアンプの他の入力端は前記交流電源と接続され、前
記センサ電極の1つは、前記リファレンス・コンデンサ
と接続されている前記オペアンプの入力端に接続され、
前記ターゲット面は、前記オペアンプの出力端に接続さ
れている。さらに、前記ガード電極が出力端に接続さ
れ、前記ターゲット面が入力端の一方に接続され、他の
入力端には前記交流電源が接続されているオペアンプを
設けることにより、ケーブルの容量などの寄生容量の影
響を除去する。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図面を参照
して詳細に説明する。本発明の角度センサは4つの検出
電極を一体化して、それぞれ電極における容量変化の差
から2次元の角度出力を得るものである。この角度セン
サは原理的には、変位センサの電極を4つ一体化したも
のである。図1により、本発明の実施形態の構成例を詳
しく説明する。実施形態の静電容量型傾斜角度センサ1
00は、水平である端面上に、保護リング110、絶縁
体120、ガード・リング130を設け、ガード・リン
グ130内にセンサ電極150がある。センサ電極15
0は、円を4分割した形状をした電極で、互いにx軸、
y軸に対して対称であるように配置されている電極15
1,152,153,154から構成されている。保護
リング110、ガード・リング130、センサの4つの
同じ形の電極(子センサ)151〜154は、それぞれ
絶縁体120,140で絶縁されている。この4つの電
極とターゲット面160との間の静電容量を量ることに
より、ターゲット面160に対するセンサの傾斜を測定
する。このセンサ100は、ガード・リング130を設
け、その内側にセンサ電極150を設置しているため、
外部からの電磁ノイズを防ぐことができる。また、4つ
の電極を一体化したことにより、環境の温度変化に対す
る機械的な特性や電気的な特性が一致するので、温度ド
リフト等を低減することが可能である。これにより、角
度センサの出力の安定性や精度がよくなる。
【0009】センサ100の具体的な大きさは、例え
ば、本センサ100の外径は15mm、センサ全電極面
の直径は7mmである。この場合、1つの子センサの端
面積は半経1.5mmの変位センサの端面積に相当す
る。センサ自体の熱膨張を極力抑えるために、例えばイ
ンバー材により製作する。本センサ100の外径は15
mmであるので、その端面とターゲット面160間の測
定可能な距離d0を20μmとすると、その検出できる
最大傾斜角度は約500s(arc)である。
【0010】4つの各電極からのセンサの出力は次式で
与えられる。
【数3】 ただし、θxとθyはそれぞれx軸とy軸に対する傾斜
角、Dxはz軸方向の変位である。Vi[Vi=Vθi+V
z(i=1,2,3,4)]は、ターゲットの姿勢変化
による1つの子センサの静電容量変化を、それに比例す
る電圧出力により取り出したもので、x軸とy軸に対す
る傾斜による電圧変化Vθiとz軸方向の変位による電
圧変化Vzとの和である。Sx,SyとSzはそれぞれx軸
とy軸の傾斜、およびz軸の変位に対する平均感度であ
る。
【0011】図2は図1に示したセンサに使う、オペア
ンプ演算法を用いた静電容量の変化を電圧として取り出
すためのインタフェース回路200である。図2の構成
の回路が4つあり、センサ100の各電極ごとに接続さ
れる。図2に示す様に、センサ電極150の各4つの電
極とターゲット面160とで構成されるコンデンサC i
に、オペアンプ220の入力端の1つと出力端が接続さ
れる。リファレンス・コンデンサ210は、交流電源2
40とオペアンプ220との間に、直列に接続されてい
る。オペアンプ220(増幅率:−K0)の演算によっ
て、センサのそれぞれの出力電圧Viは、その端面とタ
ーゲット面160間の距離の変化に比例する。その出力
は式(2)のようになる。
【数4】 ただし、Vsは交流入力電圧、Soは子センサの端面積、
εは空気誘電率、Csi(i=1,2,3,4)はリファ
レンス・コンデンサ210の容量、Ci,di,V i(i
=1,2,3,4)はそれぞれ、4つの子センサとター
ゲット面との容量、その端面とターゲット面との間の距
離、出力電庄である。
【0012】このように、z軸方向の変位による4つの
子センサの電圧変化量が同じにすることが、例えばリフ
ァレンス・コンデンサ210等を調整することにより可
能なので、式(1)の計算により、傾斜角度を検出する
際のセンサの出力には、z軸方向の変位による影響を受
けないように構成することが可能である。また、傾斜に
よる端面とターゲット間の距離の変化は、片方が増加し
た時、他方は同量に減少するので、z軸方向の変位を検
出する際のセンサの出力電圧には、ターゲット面の傾斜
角度による影響も受けない。
【0013】図2に示すオペアンプ230(増幅率:K
g)は、ケーブルの容量などの寄生容量の影響を除去す
るために追加されるものである。オペアンプ230の出
力は、センサ電極に接続された線のガードやガード・リ
ングに接続されている。また、入力の1つは、ターゲッ
ト面160と接続され、他の入力は交流電源240と接
続されている。図2の回路において、以下の式(3)お
よび(4)が成立している。
【数5】 図2中のセンサ電極の電圧Vcとオペアンプ230の出
力電圧Vgが等しいとすると、寄生容量の影響が除去さ
れる。すると、式(3)と(4)によって
【数6】 が得られる。従って、オペアンプ230の増幅率Kg
これにより求まる増幅率とする。ただし、オペアンプ2
20の増幅率K0が十分大きいとすれば、オペアンプ2
30の増幅率Kgは1に近似できるので、オペアンプ2
30を省略できる。
【0014】図3および図4は、図1および図2に示し
た構成の静電容量型角度センサの出力特性および温度ド
リフトの特性を示したグラフである。ターゲット面16
0との間隔が200μm程度で計測している。図3のセ
ンサの出力特性のグラフから分かるように、本センサの
角度と出力電圧との間には、水平分(x方向)および垂
直分(y方向)とも、よいリニアリティ(線形特性)を
有している。また、図4のドリフトを示すグラフにおい
て、温度はセンサの周囲温度を示している。図4から、
ドリフトは角度にして0.5秒以下の範囲であり、十分
無視できる程度である。
【0015】本センサでは、容量変化の検出を複数の子
センサによる差動型にしているため、単独の変位センサ
よりも高い安定性と分解能での容量変化の検出ができ
る。これにより、現状の容量型変位センサの能力から推
定されるよりも、高い能力の角度センサの実現が可能に
なった。この発明のセンサは光を使えない状況のため
に、角度センサの利用が難しかったインプロセス計測、
非鏡面の多くの加工面形状の非接触高精度測定などに利
用可能であり、その工業的、工学的意義は極めて高い。
【0016】
【発明の効果】本発明の構成により、外部からの電磁ノ
イズにも強く、温度ドリフト等の影響を受けにくい静電
容量型傾斜角度センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】静電容量型傾斜角度センサの構成例を示す図で
ある。
【図2】出力電圧を得るための回路構成例を示す図であ
る。
【図3】センサ出力特性を示すグラフである。
【図4】ドリフト特性を示すグラフである。
【符号の説明】
100 センサ 110 保護リング 120,140 絶縁体 130 ガード・リング 150 センサ電極 151,152,153,154 センサ電極(子セン
サ) 160 ターゲット面 200 インタフェース回路 210 リファレンス・コンデンサ 220 オペアンプ 230 オペアンプ 240 交流電源

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水平である端面上にセンサ電極を設け、
    センサ電極とターゲット面との静電容量を計測して傾斜
    角度を得る静電容量型傾斜角度センサにおいて、 互いに対称であるように配置されている4つの同じ形の
    センサ電極と、 前記4つのセンサ電極の周囲に設けたガード電極とを備
    え、前記電極は互いに絶縁されており、前記4つのセン
    サ電極の容量変化の差から2次元の角度出力を得ること
    を特徴とする静電容量型傾斜角度センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の静電容量型傾斜角度セ
    ンサにおいて、 前記センサ電極は、円を4分割した形であり、前記ガー
    ド電極はリング状であることを特徴とする静電容量型傾
    斜角度センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の静電容量型傾斜
    角度センサにおいて、2次元の角度出力θx,θyは、以
    下の式により求めることを特徴とする静電容量型傾斜角
    度センサ。 【数1】 ただし、Viは、1つのセンサ電極の静電容量変化に比
    例する電圧出力で、x軸とy軸に対する傾斜による電圧
    変化であり、Sx,Syはそれぞれx軸とy軸の傾斜変位
    に対する平均感度である。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の静電容量型傾斜角度セン
    サにおいて、 前記センサ電極の静電容量変化に比例する電圧出力は、
    交流電源と、リファレンス・コンデンサと、オペアンプ
    とを有する回路で出力され、 前記回路は、前記リファレンス・コンデンサは前記交流
    電源と前記オペアンプの入力端と直列に接続され、前記
    オペアンプの他の入力端は前記交流電源と接続され、前
    記センサ電極の1つは、前記リファレンス・コンデンサ
    と接続されている前記オペアンプの入力端に接続され、
    前記ターゲット面は、前記オペアンプの出力端に接続さ
    れていることを特徴とする静電容量型傾斜角度センサ。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の静電容量型傾斜角度セン
    サにおいて、さらに、前記ガード電極が出力端に接続さ
    れ、前記ターゲット面が入力端の一方に接続され、他の
    入力端には前記交流電源が接続されているオペアンプを
    有していることを特徴とする静電容量型傾斜角度セン
    サ。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103712600A (zh) * 2012-10-08 2014-04-09 硕英股份有限公司 液体电容式倾斜微传感器
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