JP2005300329A - 静電容量型３次元位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型であって真空中でも使用することが容易な静電容量型３次元位置測定装置を提供する。
【解決手段】 被測定物１には、被測定物１の位置検出を行うためのターゲット２ａ、２ｂ、２ｄが設けられている。これらのターゲット２ａ、２ｂ、２ｄに対向して静電容量型センサ３ａ、３ｂ、３ｄがそれぞれ設けられており、これらの静電容量型センサ３ａ、３ｂ、３ｄ中には、電極４ａ、４ｂ、４ｄがそれぞれ設けられている。静電容量型センサ３ａとターゲット２ａの位置は、Ｘ−Ｙ方向ではほぼ一致している。静電容量型センサ３ａに対してＸ軸方向に位置する静電容量型センサ３ｂ、３ｄの位置は、その中心がそれぞれターゲット２ｂの左端、ターゲット２ｄの右端に位置している。同様、静電容量型センサ３ａに対してＹ軸方向に位置する静電容量型センサ３ｃ、３ｅの位置は、その中心がそれぞれターゲット２ｃの下端、ターゲット２ｅの上端に位置している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する静電容量型３次元位置測定装置に関するものである。

静電容量型位置測定装置は周知のものであり、特に距離測定装置やレベル計として使用されている。その測定原理は、被測定物又はそれに設けられたターゲットを一つの電極、センサ側に設けられた電極を他の電極として、これらの電極間の静電容量が被測定物とセンサ間の距離に応じて変化すること、又は、センサ側に設けられた２つの電極間の静電容量が、被測定物とセンサ間の距離に応じて変化することを利用したものである。

しかしながら、このような静電容量型位置測定装置は、１次元方向の位置を測定するために用いられているのが一般的であった。すなわち、被測定物の表面が、センサ側の電極表面に対して十分大きなものとし、被測定物表面を無限大の平面と仮定して、このような平面との間の静電容量、又はこのような平面の影響を受けて変化する静電容量を測定し、それから被測定物の位置を測定していた。

一般に、物体の３次元方向位置を一つのセンサで検出することはできず、物体の３次元位置計測を行うには、それぞれの方向について距離測定装置を使用して測定するか、一つの方向については距離測定装置を使用して測定し、それと直角な２次元方向については、撮像装置で２次元的な位置を撮像し、画像処理により２次元方向の位置を求めることが行われていた。

このように３次元の位置測定を行おうとすると、測定装置の数が増えて、狭い空間にセンサ部を収納できなくなる場合がある。特に、高度の真空中において被測定物の位置を３次元的に検出しようとすると、センサの構造上配置が困難である場合があり、又、配置が可能であったとしても、アウトガスの問題等から新たに隔壁を配置したりする必要等があり、構造が複雑になるという問題点があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型であって真空中でも使用することが容易な静電容量型３次元位置測定装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する位置測定装置であって、３種の静電容量型センサを有し、前記ターゲットの面をＸ−Ｙ平面とするＸ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標系において、第１種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動しても変化せず、Ｚ方向に位置変動した場合に変化するように、第２種の静電容量型センサの出力は、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＹ方向に位置変動しても変化せず、Ｘ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向に位置変動した場合に変化するように、第３種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向に位置変動しても変化せず、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＹ方向に位置変動した場合に変化するように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められていることを特徴とする静電容量型３次元位置測定装置（請求項１）である。

本手段においては、第１種、第２種、第３種の静電容量型センサが、それぞれ、Ｚ方向、Ｘ方向、Ｙ方向位置を独立に測定可能であるので、３次元の位置測定を行うことができる。又、静電容量型センサであるので、センサ部を小型化でき、狭いスペースに収納することができる。各静電容量型センサとターゲットの配置については、実施の形態において詳しく説明する。第何種というのは、その中に、１個のみでなく複数の静電容量型センサがある場合を含むことを示すものである。

前記課題を解決するための第２の手段は、被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する位置測定装置であって、４種の静電容量型センサを有し、前記ターゲットの面をＸ−Ｙ平面とするＸ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標系において、第１種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動しても変化せず、Ｚ方向に位置変動した場合に変化するように、第２種の静電容量型センサの出力は、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＹ方向に位置変動しても変化せず、Ｘ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向に位置変動した場合に変化するように、第３種と第４種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動した場合に変化するように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められており、かつ、前記ターゲットがＹ方向に変化した場合、第３種と第４種の静電容量型センサの出力の変化方向が逆になるように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められていることを特徴とする静電容量型３次元位置測定装置（請求項２）である。

本手段においては、Ｚ方向とＸ方向の位置測定手段は、前記第１の手段と同じであるが、Ｙ方向位置測定のために２種類の静電容量型センサを使用している。そして、例えばその出力の差分をとることにより、より精密にＹ軸方向位置を測定することができる。各静電容量型センサとターゲットの配置については、実施の形態において詳しく説明する。

前記課題を解決するための第３の手段は、被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する位置測定装置であって、５種の静電容量型センサを有し、前記ターゲットの面をＸ−Ｙ平面とするＸ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標系において、第１種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動しても変化せず、Ｚ方向に位置変動した場合に変化するように、第２種から第５種までの静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動した場合に変化するように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められており、さらに、前記ターゲットがＸ方向に変化した場合、第２種と第３種の静電容量型センサの出力の変化方向、第４種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が同じ、かつ、第２種と第４種の静電容量型センサの出力の変化方向、第３種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が逆となり、前記ターゲットがＹ方向に変化した場合、第２種と第４種の静電容量型センサの出力の変化方向、第３種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が同じ、かつ、第２種と第３種の静電容量型センサの出力の変化方向、第４種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が逆となるように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められていることを特徴とする静電容量型３次元位置測定装置（請求項３）である。

本手段においては、第２種から第５種の４種の静電容量型センサを使用して、Ｘ方向、Ｙ方向の位置を、これらの出力の演算により求めている。一般に、例えばＸ方向の位置変動によって出力が変化し、Ｙ方向の位置変動によって出力が変化しないようにするためには、Ｙ方向に長いターゲットを使用しなければならない。よって、前記第１の手段、第２の手段においては、ターゲットも大きくなり、これに従って静電容量型センサの間隔も広がってしまうが、本手段によれば、装置のセンサ部を小さくすることができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記第１種の静電容量型センサが、Ｘ−Ｙ平面に平行な面において同一直線上に無い少なくとも３点の位置を測定する３個の静電容量型センサを有することを特徴とするもの（請求項４）である。

本手段においては、被測定面の傾きを求めることができる。第１種の静電容量型センサを構成する静電容量型センサの数が３個の場合は方程式を解くことにより、４個以上の場合は、最小二乗法等の統計的手段により傾きを求めることができる。

前記課題を解決するための第の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、各静電容量型センサが、１個の導電体から形成されているターゲットとの間の静電容量を測定するものであることを特徴とするもの（請求項５）である。

本手段においては、ターゲットの大きさを小さくすることができ、それに応じてセンサ全体の大きさを小さくすることができる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段であって、第１種の静電容量型センサが、他種の静電容量型センサの内側に位置していることを特徴とするもの（請求項６）である。

本手段においては、センサ全体の大きさを小さくすることができる。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第４の手段であって、第１種の静電容量型センサが、他種の静電容量型センサの外側に位置していることを特徴とする。

本手段においては、Ｘ−Ｙ方向に離れた距離におけるＺ方向位置を３点以上測定できるので、傾きの測定精度を向上させることができる。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第７の手段のいずれかであって、全ての静電容量型センサが一体形成されたものであることを特徴とするもの（請求項８）である。

本手段においては、静電容量型センサを小型化することができる。

本発明によれば、小型であって真空中でも使用することが容易な静電容量型３次元位置測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の構成を示す概要図であり、（ａ）はブロック図、（ｂ）は静電容量型センサとターゲットの位置関係をＺ方向から見た図である。

図１（ａ）において、被測定物１には、被測定物１の位置検出を行うためのターゲット２ａ、２ｂ、２ｄが設けられている。これらは導電性の金属板であり、接地電位とされている。これらのターゲット２ａ、２ｂ、２ｄに対向して静電容量型センサ３ａ、３ｂ、３ｄがそれぞれ設けられており、これらの静電容量型センサ３ａ、３ｂ、３ｄ中には、電極４ａ、４ｂ、４ｄがそれぞれ設けられている。

そして、これらの電極４ａ、４ｂ、４ｄと接地間に交流電源５ａ、５ｂ、５ｄにより交流電圧を印加し、これらの回路に流れる電流を電流検出器６ａ、６ｂ、６ｄによりそれぞれ検出する。電流検出器６ａ、６ｂ、６ｄの信号は演算装置７に送られ、それにより、被測定物のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３次元位置が検出される。

図１（ｂ）に示すように、静電容量型センサ３ａとターゲット２ａの位置は、Ｘ−Ｙ方向ではほぼ一致している。これに対し、静電容量型センサ３ａに対してＸ軸方向に位置する静電容量型センサ３ｂ、３ｄの位置は、その中心がそれぞれターゲット２ｂの左端、ターゲット２ｄの右端に位置するようになっている。同様、静電容量型センサ３ａに対してＹ軸方向に位置する静電容量型センサ３ｃ、３ｅの位置は、その中心がそれぞれターゲット２ｃの下端、ターゲット２ｅの上端に位置するようになっている。ここで、上下左右は図１（ｂ）の上下左右をいう。

今、静電容量型センサ３ａ〜３ｄとターゲット２ａ〜２ｄの位置関係が図１（ｂ）に示すような位置にある場合を原点とし、被測定物１がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動した場合の、各静電容量型センサ３ａ〜３ｄの出力を図２に示す。図２で示す実線の範囲が、測定可能範囲である。但し、図２は模式的な図であり、各軸方向の距離が図で同じであっても、実際の距離が同じであるわけではなく、各静電容量型センサの出力も図で高さが同じであっても、実際の出力が同じであるわけではない。更に、例えばＺ軸方向の距離と静電容量は逆比例の関係にあるはずであるが、簡略化のため直線で表している。

図２に示すように、静電容量型センサ３ａの出力は、被測定物が測定範囲内でＸ方向、Ｙ方向に移動してもその出力が変化しない。これは、原点位置において電極４ａの中心とターゲット２ａの中心が一致しており、電極４ａの面積に対してターゲット２ａの面積が十分広いからである。

これに対して、静電容量型センサ３ｂの出力は、被測定物１がＸ負方向に移動すると増加し、静電容量型センサ３ｄの出力は、被測定物１がＸ負方向に移動すると減少する。これは、原点位置において、静電容量型センサ３ｂ、３ｄの電極４ｂ、４ｄのＸ方向中心が、それぞれターゲット２ｂ、２ｄのＸ方向境界位置にあるためである。又、被測定物１がＹ方向に移動してもその出力が変化しない。これは、原点位置において静電容量型センサ３ｂ、３ｄの電極４ｂ、４ｄのＹ方向中心とターゲット２ｂ、２ｄのＹ方向中心が一致しており、電極４ｂ、４ｄのＹ方向長さに対してターゲット２ｂ、２ｄのＹ方向長さが十分大きいからである。

又、静電容量型センサ３ｃの出力は、被測定物１がＹ正方向に移動すると減少し、静電容量型センサ３ｅの出力は、被測定物１がＹ正方向に移動すると増加する。これは、原点位置において、静電容量型センサ３ｃ、３ｅの電極４ｃ、４ｅのＹ方向中心が、それぞれターゲット２ｃ、２ｅのＹ方向境界位置にあるためである。又、被測定物１がＸ方向に移動してもその出力が変化しない。これは、原点位置において電極４ｃ、４ｅのＸ方向中心とターゲット２ｃ、２ｅのＹ方向中心が一致しており、電極４ｃ、４ｅのＸ方向長さに対してターゲット２ｃ、２ｅのＹ方向長さが十分広いからである。

静電容量型センサ３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅの出力とも、被測定物がＺ正方向に移動すると低下する。

以上のことより、被測定物１のＺ方向位置は、静電容量型センサ３ａの出力を検出すれば、それに対応する値として求まることが分かる（静電容量型センサ３ａの出力と被測定物１のＺ方向位置の関係は、予め測定してキャリブレーションカーブとして、演算装置７に記憶させておく）。

被測定物１のＸ方向位置を求めるには、以下のようにする。静電容量型センサ３ｂの出力をＩ_３ｂ、静電容量型センサ３ｄの出力をＩ_３ｄとすると、
Ｉ_３ｂ＝Ｉ_３ｂ（Ｘ，Ｚ）
Ｉ_３ｄ＝Ｉ_３ｄ（Ｘ，Ｚ）
で表されるので、予めキャリブレーションを行い、Ｘ、ＺとＩ_３ｂ、Ｉ_３ｄの関係をテーブルや関数形で演算装置７に記憶させておく。そして、前述のように静電容量型センサ３ａの出力からＺを求めれば、Ｉ_３ｂ、Ｉ_３ｄの出力からそれぞれＸが分かる。この値の平均値をとって、Ｘの値とすればよい。もし、Ｉ_３ｂ（Ｘ，Ｚ）、Ｉ_３ｄ（Ｘ，Ｚ）がＸ、Ｚについて線形性がある場合は、
Ｘ＝ｋ１＊（Ｉ_３ｄ−Ｉ_３ｂ）／（Ｉ_３ｂ＋Ｉ_３ｄ）
として求めてもよい。但し、ｋ１は定数である。

同様、被測定物１のＹ方向位置を求めるには、以下のようにする。静電容量型センサ３ｃの出力をＩ_３ｃ、静電容量型センサ３ｅの出力をＩ_３ｅとすると、
Ｉ_３ｃ＝Ｉ_３ｃ（Ｙ，Ｚ）
Ｉ_３ｅ＝Ｉ_３ｅ（Ｙ，Ｚ）
で表されるので、予めキャリブレーションを行い、Ｘ、ＺとＩ_３ｃ、Ｉ_３ｅの関係をテーブルや関数形で演算装置７に記憶させておく。そして、前述のように静電容量型センサ３ａの出力からＺを求めれば、Ｉ_３ｃ、Ｉ_３ｅの出力からそれぞれＸが分かる。この値の平均値をとって、Ｘの値とすればよい。もし、Ｉ_３ｃ（Ｙ，Ｚ）、Ｉ_３ｅ（Ｙ，Ｚ）がＸ、Ｚについて線形性がある場合は、
Ｘ＝ｋ２＊（Ｉ_３ｃ−Ｉ_３ｅ）／（Ｉ_３ｃ＋Ｉ_３ｅ）
として求めてもよい。但し、ｋ２は定数である。

以上の説明から明らかなように、この静電容量型３次元位置測定装置は冗長性を有している。すなわち、静電容量型センサ３ｂと３ｄはどちらか一つあればＸ方向の位置検出が可能であり、同様に静電容量型センサ３ｃと３ｅはどちらか一つあればＹ方向の位置検出が可能である。よって、これらのうち、両方を各１個、又は片方を１個で済ますことができる。

以下、本発明の他の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置についての説明を行うが、いずれについても、その基本的な構成は、図１（ａ）に示すものと同じであり、ただ、静電容量型センサとターゲットの配置のみが違うだけであるので、静電容量型センサとターゲットの配置のみについて説明する。又、前出の図面に示された構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。

図３は、本発明の第２の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサとターゲットの配置を示す図である。この実施の形態においては、Ｘ−Ｙ方向中心に静電容量型センサ３ａとターゲット２ａが、その中心を同じくして配置されており、静電容量型センサ３ａとターゲット２ａから見て、Ｘ方向Ｙ方向と４５°回転した位置に、４つの静電容量型センサ３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉと、それらに各々対応する４つのターゲット２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉが設けられている。

そして、静電容量型センサ３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉの中心は、図に示すように、対応するターゲット２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉの、ターゲット２ａから見て内側の頂点位置に一致している。

この実施の形態においても、静電容量型センサ３ａの電極に対してターゲット２ａの大きさが十分大きくとられており、従って、静電容量型センサ３ａの出力は、被測定物１がＸ−Ｙ方向に移動しても変化せず、被測定物１のＺ方向の動きについてのみ反応する。

これに対して、静電容量型センサ３ｆの出力は、被測定物１がＸ正方向に移動すれば増加し、Ｘ負方向に移動すれば減少すると共に、被測定物１がＹ正方向に移動すれば減少し、Ｙ負方向に移動すれば増加する。静電容量型センサ３ｇの出力は、被測定物１がＸ正方向に移動すれば増加し、Ｘ負方向に移動すれば減少すると共に、被測定物１がＹ正方向に移動すれば増加し、Ｘ負方向に移動すれば減少する。静電容量型センサ３ｈの出力は、被測定物１がＸ正方向に移動すれば減少し、Ｘ負方向に移動すれば増加すると共に、被測定物１がＹ正方向に移動すれば増加し、Ｙ負方向に移動すれば減少する。静電容量型センサ３ｉの出力は、被測定物１がＸ正方向に移動すれば減少し、Ｘ負方向に移動すれば増加すると共に、被測定物１がＹ正方向に移動すれば減少し、Ｙ負方向に移動すれば増加する。

静電容量型センサ３ｆの出力をＩ_３ｆ、静電容量型センサ３ｇの出力をＩ_３ｇ、静電容量型センサ３ｈの出力をＩ_３ｈ、静電容量型センサ３ｉｇの出力をＩ_３ｉとすると、
Ｉ_３ｆ＝Ｉ_３ｆ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
Ｉ_３ｇ＝Ｉ_３ｇ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
Ｉ_３ｈ＝Ｉ_３ｈ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
Ｉ_３ｉ＝Ｉ_３ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
で表されるので、予めキャリブレーションを行い、Ｘ、Ｙ、ＺとＩ_３ｆ、Ｉ_３ｇ、Ｉ_３ｈ、Ｉ_３ｉの関係をテーブルや関数形で演算装置７に記憶させておく。関数形で記憶させていた場合、前述のように静電容量型センサ３ａの出力からＺを求めれば、Ｘ、Ｙについての方程式が４個できることになるので、最小二乗法により、これらの方程式からＸとＹを求めることができる。

もし、Ｉ_３ｆ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、Ｉ_３ｇ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、Ｉ_３ｈ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、Ｉ_３ｉ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）がＸ、Ｙ、Ｚについて線形性がある場合は、
Ｘ＝ｋ３＊（Ｉ_３ｆ＋Ｉ_３ｇ−Ｉ_３ｈ−Ｉ_３ｉ）／（Ｉ_３ｆ＋Ｉ_３ｇ＋Ｉ_３ｈ＋Ｉ_３ｉ）
Ｙ＝ｋ４＊（Ｉ_３ｇ＋Ｉ_３ｈ−Ｉ_３ｆ−Ｉ_３ｉ）／（Ｉ_３ｆ＋Ｉ_３ｇ＋Ｉ_３ｈ＋Ｉ_３ｉ）
として求めてもよい。但し、ｋ３、ｋ４は定数である。

以上の実施の形態については、被測定物１がＸ方向、Ｙ方向のどちらに移動したときにも出力が変化する静電容量型センサを４個用いたが、５個以上用いるようにしてもよい。しかしこれらの場合において、被測定物１がＸ正方向に移動したときに出力が増加する静電容量型センサを少なくとも一つ用いた場合には、被測定物がＸ正方向に移動したときに出力が減少する静電容量型センサを少なくとも一つ用いるようにすることが好ましい。同様、被測定物１がＸ正方向に移動したときに出力が減少する静電容量型センサを少なくとも一つ用いた場合には、被測定物がＸ正方向に移動したときに出力が増加する静電容量型センサを少なくとも一つ用いるようにすることが好ましい。

Ｙ方向についても同様であり、被測定物１がＹ正方向に移動したときに出力が増加する静電容量型センサを少なくとも一つ用いた場合には、被測定物がＹ正方向に移動したときに出力が減少する静電容量型センサを少なくとも一つ用いるようにすることが好ましい。同様、被測定物１がＹ正方向に移動したときに出力が減少する静電容量型センサを少なくとも一つ用いた場合には、被測定物がＹ正方向に移動したときに出力が増加する静電容量型センサを少なくとも一つ用いるようにすることが好ましい。

図４は、本発明の第３の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサの電極とターゲットの配置を示す図である。この実施の形態においては、静電容量型センサの電極がパターニングにより一体形成されている。すなわち、５つの電極４ａ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉは、同一の基板の上にパターニングにより、中間に絶縁層を挟んで形成されている。そして、ターゲット２は、一つの電極から形成されている。

この実施の形態の作用効果は、前記第２の実施の形態の作用効果と実質的に変わるところがないので、その説明を省略するが、第２の実施の形態に比して、静電容量型３次元位置測定装置のセンサ部を小型化できるという特徴を有している。

図４（ａ）に示されたものは、正方形を基本としたパターンから形成されており、図４（ｂ）に示されたものは円を基本としたパターンから形成されている。この両者が実質的に同一であることは言うまでもない。

図５は、本発明の第４の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサの電極とターゲットの配置を示す図である。この実施の形態は、前記第３の実施の形態とは基本的に同じであるが、Ｚ方向位置を検出する静電容量型センサの電極が、４ａ１、４ａ２、４ａ３、４ａ４として４個設けられているところが異なっている。これらの電極に対応する静電容量型センサは、いずれも、被測定物１が、Ｘ−Ｙ方向に測定範囲内で変化しても、Ｚ方向の出力が変化しないものである。

よって、この実施の形態においては、Ｘ−Ｙ方向４箇所でのＺ軸方向位置を検出することができ、各測定値を基に最小二乗法を適用すれば、被測定物１の傾きを算出することができる。

なお、図５においては、４個のＺ方向位置検出用静電センサを用いているが、３個のＸ−Ｙ平面に平行な平面上で同一直線上に無い３個のＺ方向位置検出用静電センサを用いれば、方程式を解くことにより、被測定物１の傾きを算出することができる。

Ｘ−Ｙ平面に平行な平面上で直線上に無い３個のＺ方向位置検出用静電センサを含む限り、Ｚ方向位置検出用静電センサが５個以上ある場合でも、最小二乗法等を使用して、被測定物１の傾きを算出することができる。

図６は、本発明の第５の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサの電極とターゲットの配置を示す図である。この実施の形態においては、Ｘ−Ｙ方向の位置検出を行うための静電容量型センサ３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉと、それに対応する一つのターゲット２’が中心に配置され、Ｚ方向の位置検出を行うための静電容量型センサ３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４と、それらに対応する各々のターゲット２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４が、その外側に設けられている点が、前記第４の実施の形態と異なる主要な部分である。この実施の形態では、Ｚ方向位置を測定する静電容量型センサ３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４のＸ−Ｙ方向での場所が、互いに離れているので、前記第４の実施の実施の形態に比して、全体の大きさが大きくなるが、ターゲット１の傾きを検出する精度を向上させることができる。

以上の説明においては、図４（ｂ）を除いて、電極及びターゲットの形状を正方形又は長方形を基本としているが、これらは正方形や長方形に限られるものではなく、円形、楕円形、多角形等の任意の形状とすることができる。

本発明の第１の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の構成を示す概要図である。 図１（ｂ）に示すような電極とターゲットの配置における、静電容量型センサの出力を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサとターゲットの配置を示す図である。 本発明の第３の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサの電極とターゲットの配置を示す図である。 本発明の第４の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサの電極とターゲットの配置を示す図である。 本発明の第５の実施の形態である静電容量型３次元位置測定装置の静電容量型センサの電極とターゲットの配置を示す図である。

符号の説明

１…被測定物、２，２’，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ａ１、２ａ２，２ａ３，２ａ４…ターゲット、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｉ，３ａ１、３ａ２，３ａ３，３ａ４…静電容量型センサ、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉ…電極、５ａ，５ｂ，５ｄ…交流電源、６ａ，６ｂ，６ｄ…電流検出器、７…演算装置

Claims (8)

1. 被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する位置測定装置であって、３種の静電容量型センサを有し、前記ターゲットの面をＸ−Ｙ平面とするＸ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標系において、第１種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動しても変化せず、Ｚ方向に位置変動した場合に変化するように、第２種の静電容量型センサの出力は、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＹ方向に位置変動しても変化せず、Ｘ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向に位置変動した場合に変化するように、第３種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向に位置変動しても変化せず、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＹ方向に位置変動した場合に変化するように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められていることを特徴とする静電容量型３次元位置測定装置。
2. 被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する位置測定装置であって、４種の静電容量型センサを有し、前記ターゲットの面をＸ−Ｙ平面とするＸ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標系において、第１種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動しても変化せず、Ｚ方向に位置変動した場合に変化するように、第２種の静電容量型センサの出力は、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＹ方向に位置変動しても変化せず、Ｘ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向に位置変動した場合に変化するように、第３種と第４種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動した場合に変化するように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められており、かつ、前記ターゲットがＹ方向に変化した場合、第３種と第４種の静電容量型センサの出力の変化方向が逆になるように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められていることを特徴とする静電容量型３次元位置測定装置。
3. 被測定物に取り付けられたターゲットとの間の静電容量を測定し、測定された静電容量に基づいて前記被測定物の３次元の位置を測定する位置測定装置であって、５種の静電容量型センサを有し、前記ターゲットの面をＸ−Ｙ平面とするＸ−Ｙ−Ｚ三次元直交座標系において、第１種の静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動しても変化せず、Ｚ方向に位置変動した場合に変化するように、第２種から第５種までの静電容量型センサの出力は、Ｘ方向、Ｙ方向の測定範囲内において前記ターゲットがＸ方向、Ｙ方向に位置変動した場合に変化するように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められており、さらに、前記ターゲットがＸ方向に変化した場合、第２種と第３種の静電容量型センサの出力の変化方向、第４種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が同じ、かつ、第２種と第４種の静電容量型センサの出力の変化方向、第３種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が逆となり、前記ターゲットがＹ方向に変化した場合、第２種と第４種の静電容量型センサの出力の変化方向、第３種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が同じ、かつ、第２種と第３種の静電容量型センサの出力の変化方向、第４種と第５種の静電容量型センサの出力の変化方向が逆となるように、それぞれの静電容量型センサとターゲットの位置関係が定められていることを特徴とする静電容量型３次元位置測定装置。
4. 前記第１種の静電容量型センサが、Ｘ−Ｙ平面に平行な面において同一直線上に無い少なくとも３点の位置を測定する３個の静電容量型センサを有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の静電容量型３次元位置測定装置。
5. 各静電容量型センサが、１個の導電体から形成されているターゲットとの間の静電容量を測定するものであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の静電容量型３次元位置測定装置。
6. 第１種の静電容量型センサが、他種の静電容量型センサの内側に位置していることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型３次元位置測定装置。
7. 第１種の静電容量型センサが、他種の静電容量型センサの外側に位置していることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型３次元位置測定装置。
8. 全ての静電容量型センサが一体形成されたものであることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の静電容量型３次元位置測定装置。
   
   

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