JP2002221402A - 静電容量ギャップセンサの測定装置及びその測定方法 - Google Patents
静電容量ギャップセンサの測定装置及びその測定方法Info
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- JP2002221402A JP2002221402A JP2001237226A JP2001237226A JP2002221402A JP 2002221402 A JP2002221402 A JP 2002221402A JP 2001237226 A JP2001237226 A JP 2001237226A JP 2001237226 A JP2001237226 A JP 2001237226A JP 2002221402 A JP2002221402 A JP 2002221402A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 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Ａ
2 を全く等しい面積とし、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
Ｃa1と基準コンデンサＣa2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から交流電流を印
加し、第１検出電極ｅ1 及び第２検出電極ｅ2 からの検
出信号Ｓ 1 、Ｓ2 を作動手段４に入力させ、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。
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。 【解決手段】 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Ａ
2 を全く等しい面積とし、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
Ｃa1と基準コンデンサＣa2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から交流電流を印
加し、第１検出電極ｅ1 及び第２検出電極ｅ2 からの検
出信号Ｓ 1 、Ｓ2 を作動手段４に入力させ、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。
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）を測定する静電容量式変位センサに
関し、特に、同静電容量式変位センサの測定方法に関す
る。
の距離（ギャップ）を測定する静電容量式変位センサに
関し、特に、同静電容量式変位センサの測定方法に関す
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。
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。
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２０００−２
９１４０８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。
は、平成１２年９月２６日に出願した特願２０００−２
９１４０８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。
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ｅ 1 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Ｃ
2 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
前記第１、第２検出電極ｅ 1 ，ｅ2 と前記被測定面との
間の合成容量に対応した測定振幅情報を検知する静電容
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Ｃa1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Ｃa2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と等しい振幅Ｖで逆相の交流正弦波
−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂ
と、前記静電容量Ｃa1と前記静電容量Ｃa2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 との差を得
る差動手段４と、前記被測定体の電位による影響を打ち
消しかつ同被測定体の電気的状態に拘らない信号を得る
信号処理手段５とを備える静電容量式変位センサの測定
装置を提案するものである。
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ｅ 1 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Ｃ
2 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
前記第１、第２検出電極ｅ 1 ，ｅ2 と前記被測定面との
間の合成容量に対応した測定振幅情報を検知する静電容
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Ｃa1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Ｃa2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と等しい振幅Ｖで逆相の交流正弦波
−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂ
と、前記静電容量Ｃa1と前記静電容量Ｃa2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 との差を得
る差動手段４と、前記被測定体の電位による影響を打ち
消しかつ同被測定体の電気的状態に拘らない信号を得る
信号処理手段５とを備える静電容量式変位センサの測定
装置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ｅ 1 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に応じて変化する前記第１、第２検
出電極ｅ 1 ，ｅ2 と前記被測定面との間の合成容量に対
応した測定振幅情報を検知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Ｃa1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Ｖｓ
ｉｎ２πｆｔを印加し、所定の静電容量Ｃa2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と等しい振幅Ｖで逆相の交
流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加し、前記静電容量Ｃ
a1と前記静電容量Ｃa2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 との差を得て、前記被測定体の
電位による影響を打ち消し、前記被測定体の電気的状態
に拘らず、前記ギャップｄを正確に測定する静電容量式
変位センサの測定方法によっても達成される。
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ｅ 1 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に応じて変化する前記第１、第２検
出電極ｅ 1 ，ｅ2 と前記被測定面との間の合成容量に対
応した測定振幅情報を検知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Ｃa1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Ｖｓ
ｉｎ２πｆｔを印加し、所定の静電容量Ｃa2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と等しい振幅Ｖで逆相の交
流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加し、前記静電容量Ｃ
a1と前記静電容量Ｃa2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 との差を得て、前記被測定体の
電位による影響を打ち消し、前記被測定体の電気的状態
に拘らず、前記ギャップｄを正確に測定する静電容量式
変位センサの測定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ｅ 1 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に応じて変化する前記第１、第２検出電極
ｅ 1 ，ｅ2 と前記被測定面との間の合成容量に対応した
測定振幅情報を検知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Ｃa1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Ｖｓｉｎ
２πｆｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、所定の静
電容量Ｃa2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と等
しい振幅Ｖで逆相の交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印
加する第２正弦波駆動源３Ｂと、前記静電容量Ｃa1と前
記静電容量Ｃa2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 との差を得る差動手段４と、前記被測
定体の電位による影響を打ち消しかつ同被測定体の電気
的状態に拘らない信号を得る信号処理手段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ｒ2iかつ外周半径がｒ2o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ｅ
1 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ｅ
2 との間隔をｇ2i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ｅ4iと、前記第２検出電極
ｅ2 との間隔をｇ2oに保って同第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ｅ4o
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ｅ4iの
間及び前記第２検出電極ｅ2 と前記第３ガード電極ｅ4o
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、
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ｅ 1 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に応じて変化する前記第１、第２検出電極
ｅ 1 ，ｅ2 と前記被測定面との間の合成容量に対応した
測定振幅情報を検知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Ｃa1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Ｖｓｉｎ
２πｆｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、所定の静
電容量Ｃa2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と等
しい振幅Ｖで逆相の交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印
加する第２正弦波駆動源３Ｂと、前記静電容量Ｃa1と前
記静電容量Ｃa2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 との差を得る差動手段４と、前記被測
定体の電位による影響を打ち消しかつ同被測定体の電気
的状態に拘らない信号を得る信号処理手段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ｒ2iかつ外周半径がｒ2o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ｅ
1 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ｅ
2 との間隔をｇ2i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ｅ4iと、前記第２検出電極
ｅ2 との間隔をｇ2oに保って同第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ｅ4o
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ｅ4iの
間及び前記第２検出電極ｅ2 と前記第３ガード電極ｅ4o
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３】 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ＣG1と、前記Ｃ2 と等価的に並列に
生じる浮遊容量ＣG2とが等しく、前記被測定体の電位に
よる影響を受けずに、前記ギャップｄを正確に測定でき
ることを特徴とする静電容量式ギャップセンサによって
達成される。
列に生じる浮遊容量ＣG1と、前記Ｃ2 と等価的に並列に
生じる浮遊容量ＣG2とが等しく、前記被測定体の電位に
よる影響を受けずに、前記ギャップｄを正確に測定でき
ることを特徴とする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ｇ2i、前記間隔ｇ2oが等し
く、前記軸方向長さＬ1 および前記軸方向長さＬ2 が
では、 1) 前記間隔ｇ1 、前記間隔ｇ2i、前記間隔ｇ2o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ｅ4i及び前記第３ガード電極ｅ4o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ＣG1と前記静電
容量ＣG2とが等しくなるように調整することで、前記被
測定体の電位による影響を受けずに、前記ギャップｄを
正確に測定する静電容量式ギャップセンサが説明され
る。
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ｅ4i及び前記第３ガード電極ｅ4o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ＣG1と前記静電
容量ＣG2とが等しくなるように調整することで、前記被
測定体の電位による影響を受けずに、前記ギャップｄを
正確に測定する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ｅ
1 及び第２検出電極ｅ2 が設けてある。
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ｅ
1 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Ｃa1と基準コン
デンサＣa2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。
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Ｃa1と基準コン
デンサＣa2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ｅ 2 −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Ｃ 2 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（Ａ 1 ＝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Ｃ
2 なる関係となる。
１間、並びに、検出第２検出電極ｅ 2 −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Ｃ 2 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（Ａ 1 ＝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Ｃ
2 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。
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Ｃa1、Ｃa2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、Ｃa2によって生じるインピーダンスＺa1、Ｚa2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。
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Ｃa1、Ｃa2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、Ｃa2によって生じるインピーダンスＺa1、Ｚa2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Ｃa1＝基準コンデンサＣa2
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Ｖ 0 のときの検出信号Ｓ1 、Ｓ2 は次式のように表せ
る。
回路であり、基準コンデンサＣa1＝基準コンデンサＣa2
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Ｖ 0 のときの検出信号Ｓ1 、Ｓ2 は次式のように表せ
る。
【００１６】
【数５】 ・・・式（１）
【００１７】
【数６】 ・・・式（２）
【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
手段４に入力させれば、差動手段４の差動出力Ｓ3 は
【数７】 ・・・式（３） 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Ｃa1＝基準コンデンサＣa2なので、インピ
ーダンスＺa1＝インピーダンスＺa2、インピーダンスＺ
1 ＝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。
準コンデンサＣa1＝基準コンデンサＣa2なので、インピ
ーダンスＺa1＝インピーダンスＺa2、インピーダンスＺ
1 ＝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】 ・・・式（４）
【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Ｖ
0 による影響はキャンセルされる。
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Ｖ
0 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 、Ｚa1は次式の
ように求められる。
ように求められる。
【数９】 ・・・式（５）
【数１０】 ・・・式（６）
【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、
ば、ギャップｄに応じて変化する静電容量Ｃ1 は、
【００２４】
【数１１】 ・・・式（７） 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。
数として次のように導けることになる。
【００２６】
【数１２】 ・・・式（８）
【００２７】ここで、ｋ1 、ｋ2 、ｋ3 は定数である
が、式（４）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。
が、式（４）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】 ・・・式（９）
【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。
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 、ｅ
2 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。
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 、ｅ
2 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ｅ4i、第２検出電極
ｅ2 、第３ガード電極ｅ4o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ｅ4iと前記第３ガード電極ｅ4o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。
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ｅ4i、第２検出電極
ｅ2 、第３ガード電極ｅ4o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ｅ4iと前記第３ガード電極ｅ4o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”Ｌ
2 ”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ｒ2i及び同第２検出電極ｅ2 の
外周半径ｒ2oの関係は、次の式（１０）のように設定さ
れる。
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”Ｌ
2 ”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ｒ2i及び同第２検出電極ｅ2 の
外周半径ｒ2oの関係は、次の式（１０）のように設定さ
れる。
【数１４】 ・・・式（１０）
【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ｅ4i、第３ガード電極ｅ4o
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ｅ4i間、及び、第２検出電極ｅ2 −第３ガード電極
ｅ4o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。
ド電極ｅ3 、第２ガード電極ｅ4i、第３ガード電極ｅ4o
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ｅ4i間、及び、第２検出電極ｅ2 −第３ガード電極
ｅ4o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ＣG1＝浮遊容量
ＣG2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ＣG1
と浮遊容量ＣG2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ｅ4i間
の間隔を”ｇ2i”、第２検出電極ｅ 2 −第３ガード電極
ｅ4o間の間隔を”ｇ2o”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。
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ＣG1＝浮遊容量
ＣG2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ＣG1
と浮遊容量ＣG2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ｅ4i間
の間隔を”ｇ2i”、第２検出電極ｅ 2 −第３ガード電極
ｅ4o間の間隔を”ｇ2o”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】 ・・・式（１１）
【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。
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】 ・・・（１２） 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ｇ2i、間隔ｇ2oを全て等しくすると、式（１
１）は
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ｇ2i、間隔ｇ2oを全て等しくすると、式（１
１）は
【数１７】 ・・・式（１３） 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ｅ
1 −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ＣG2の値を概ね等しくすることができるこ
とを示している。
極間の間隔を等しく設定した場合には、第１検出電極ｅ
1 −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ＣG2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Ｌ
2 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Ｌ
3 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ＣG1＝浮遊容量ＣG2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ＣG1＝浮遊容量ＣG2を達成でき
る。
2 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Ｌ
3 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ＣG1＝浮遊容量ＣG2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ＣG1＝浮遊容量ＣG2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。
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ＣG1と浮遊容量ＣG2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ＣG1と浮遊容量ＣG2と
を等しくしなくてもよいことはいうまでもない。
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ＣG1と浮遊容量ＣG2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ＣG1と浮遊容量ＣG2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。
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。
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。
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。
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。
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA02 AA22 BB02 CA34 DA05 DC08 HA01 HA04 HA12 KA01 KA04
Claims (5)
- 【請求項１】 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に応じて変化する前
記第１、第２検出電極ｅ1 ，ｅ2 と前記被測定面との間
の合成容量に対応した測定振幅情報を検知する静電容量
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Ｃa1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Ｃa2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Ｖｓｉｎ２π
ｆｔと等しい振幅Ｖで逆相の交流正弦波−Ｖｓｉｎ２π
ｆｔを印加する第２正弦波駆動源３Ｂと、 前記静電容量Ｃa1と前記静電容量Ｃa2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 との差を得る差
動手段４と、 前記被測定体の電位による影響を打ち消しかつ同被測定
体の電気的状態に拘らない信号を得る信号処理手段５と
を備えることを特徴とする静電容量式変位センサの測定
装置。 - 【請求項２】 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に応じて変化する前
記第１、第２検出電極ｅ1 ，ｅ2 と前記被測定面との間
の合成容量に対応した測定振幅情報を検知する静電容量
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Ａ
1 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Ｃa1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Ｃa2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Ｖｓｉｎ２π
ｆｔと等しい振幅Ｖで逆相の交流正弦波−Ｖｓｉｎ２π
ｆｔを印加し、 前記静電容量Ｃa1と前記静電容量Ｃa2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 との差を得て、
前記被測定体の電位による影響を打ち消し、 前記被測定体の電気的状態に拘らず、前記ギャップｄを
正確に測定することを特徴とする静電容量式変位センサ
の測定方法。 - 【請求項３】 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に応じて変化する前
記第１、第２検出電極ｅ1 ，ｅ2 と前記被測定面との間
の合成容量に対応した測定振幅情報を検知する静電容量
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Ｖｓｉｎ２πｆ
ｔを印加する第１正弦波駆動源３Ａと、所定の静電容量
Ｃa2を有するコンデンサを介して、前記第２検出電極ｅ
2 に対して前記交流正弦波Ｖｓｉｎ２πｆｔと等しい振
幅Ｖで逆相の交流正弦波−Ｖｓｉｎ２πｆｔを印加する
第２正弦波駆動源３Ｂと、前記静電容量Ｃa1と前記静電
容量Ｃa2とを等しく設定したときの前記第１検出電極ｅ
1 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 との差を得る差動手段４と、前記被測定体の
電位による影響を打ち消しかつ同被測定体の電気的状態
に拘らない信号を得る信号処理手段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ｒ2iかつ外周半径がｒ2o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ｇ2i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ｇ2oに保って同
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ｅ4o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ｅ4iの間及び前記第２検出電極ｅ2 と
前記第３ガード電極ｅ4o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ＣG1
と、前記Ｃ2 と等価的に並列に生じる浮遊容量ＣG2とが
等しく、前記被測定体の電位による影響を受けずに、前
記ギャップｄを正確に測定できることを特徴とする静電
容量式ギャップセンサ。 - 【請求項４】 前記間隔ｇ1 、前記間隔ｇ2i 、前記間
隔ｇ2o 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２】 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。 - 【請求項５】 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ｅ4i及び前記第３ガード電極ｅ4o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ＣG1と
前記静電容量Ｃ G2とが等しくなるように調整すること
で、前記被測定体の電位による影響を受けずに、前記ギ
ャップｄを正確に測定する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。
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|---|---|---|---|
| JP2001237226A JP3815771B2 (ja) | 2000-11-27 | 2001-08-06 | 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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|---|---|---|---|
| JP2000-359063 | 2000-11-27 | ||
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-
2001
- 2001-08-06 JP JP2001237226A patent/JP3815771B2/ja not_active Expired - Fee Related
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