JP2005308743A - ギャップ及び誘電媒体の非接触測定のための容量性センサ及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、固センサと導電性又は非導電性表面との間のギャップの非接触測定のための方法及びシステムに関する。
【解決手段】 表面（１２）と、互いに電気的に絶縁された２つの重ね合わされた導電性プレート（１６、１８、１９）及びプレートに結合されたセンサ回路から構成される容量性センサ（１０）との間の変位を非接触測定する方法は、変位が表面とプレートの１つとの間のギャップ（１４）の距離であるように表面（１２）に近接して容量性センサ（１０）を位置付けし、プレートに高周波信号（２４）を加える段階と、高周波信号とセンサプレート（１８）を加え、回路の増幅器（２０）の電圧利得を制御し、センサの静電容量がセンサと表面との間の変位を示すようにし、増幅器の出力と高周波信号とを区別し（３４）と、増幅器の出力と高周波信号との間の差に基づいて変位の値（４２）を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体及び流体での材料の深さ及び誘電性の変化を測定することができる複数の導電性プレートを備えた容量性測定デバイスを使用して、センサと導電性又は非導電性表面との間のギャップの非接触測定のための方法及びシステムに関する。

互いに電気的に絶縁され、平行に重ね合わされた２つの導電性プレートを有する非接触ギャップ測定センサは、例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３で開示されている。高周波信号がセンサの第１のプレートに加えられる。センサと近接表面との間の静電容量を測定することによって、センサは、該センサと表面との間のギャップを示す信号を発生する。

既存の非接触容量性センサが備える問題点は、ギャップを表すセンサによって発生された容量性信号が雑音によって損なわれる場合がある点である。雑音は、センサとこれに関連する電子装置間の延長ケーブルの静電容量の変化、信号ピックアップ電子装置及び変圧器、更に信号ピックアップからの浮遊容量から生じる可能性がある。これらの静電容量の変化による雑音は、ギャップを示す信号の静電容量より大きいことがある。

容量性センサを使用する場合の別の問題点は、センサと、センサの裏面を含むセンサ近傍に来る任意の表面との間に静電容量が形成されることである。センサの裏面に対する感度の一部は、アクティブシールドプレートがセンサプレートの背後に配置された場合でも残存する。
特開昭６０−１４２２０３号公報 特開平０６−５０８６８２号公報 欧州特許公開１３３４３２８号公報

センサの２つのプレート間の絶縁体での静電容量変化、及び回路にセンサを接続するケーブルのインピーダンス変化に対する感度が低い容量性測定方法及び非接触容量性測定センサに対する必要性がある。これらの変化に対する感度が過剰であると、センサの製造がより困難になり、温度及び他の環境要因に対するセンサ感度が高くなる可能性がある。

静電容量によって表面又は誘電媒体に対するセンサの静電容量を直接測定する電子回路は増幅器の電圧利得を変化させ、更に非接触ギャップ測定を行うのに使用される。また、他のプレートから電気的に絶縁されたセンサプレートを備える平行に重ね合わされた３つの導電性プレートを有する容量性センサは、センサの裏面に対して感度が大幅に低減されている。

本発明は、表面と、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの重ね合わされた導電性プレート及び該プレートに結合されたセンサ回路から構成される容量性センサとの間の変位を非接触測定する方法として実施することができ、変位が表面とプレートの１つとの間のギャップの距離であるように表面に近接して容量性センサを位置付ける段階と、プレートに高周波信号を加える段階と、高周波信号と導電性プレートのセンサプレートからのセンサと表面間の変位を示す信号とを加えて回路の増幅器の電圧利得を制御する段階と、増幅器の出力と高周波信号とを区別する段階と、増幅器の出力と高周波信号との間の差に基づいて変位の値を決定する段階とを含む。

本発明はまた、表面と、互いに電気的に絶縁された少なくとも３つの重ね合わされた導電性プレート及び該プレートに結合されたセンサ回路から構成される容量性センサとの間の変位を非接触測定する方法として実施することができ、ここでプレートは、センサプレート、パッシブシールドプレート、及びセンサプレートとパッシブシールドプレートの間に挟まれたアクティブシールドプレートを含み、前記方法は、（ａ）変位が表面とセンサプレートとの間のギャップの距離であるように表面に近接して容量性センサを位置付ける段階と、（ｂ）センサプレート及びアクティブシールドプレートに高周波信号を加える段階と、（ｃ）高周波信号とセンサプレートによってセンサ回路に誘起されたセンサと表面間の変位を示す信号とを加えて、回路の増幅器の電圧利得を制御する段階と、（ｄ）増幅器の出力と高周波信号とを区別する段階と、（ｅ）印加された信号と高周波信号との間の差に基づいて変位の値を決定する段階とを含む。

本発明はまた、表面とセンサプレートとの間のギャップの静電容量を測定するため表面から変位するよう構成されたセンサプレートと、センサプレートを覆って該センサプレートから絶縁され、且つセンサプレートと共に高周波入力信号が加えられるアクティブシールドプレートと、第１抵抗器を介してアースに接続され、接地シールドプレートとセンサプレートとの間にアクティブシールドプレートを挟むようにアクティブシールドプレートを覆い、且つ該アクティブシールドプレートから絶縁されている有効接地シールドプレートと、パッシブシールドとアクティブシールドの間に接続されてセンサを通るＤＣ経路を形成する第２抵抗器とを含む非接触容量性センサとして実施することができる。

本発明は更に、表面と、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの重ね合わされた導電性プレート及び該プレートに結合されたセンサ回路から構成される容量性センサとの間の媒体の誘電性に関する特性を非接触測定する方法として実施することができ、該方法は、媒体が表面とプレートのセンサプレートとの間にあるように表面に近接して前記容量性センサを位置付ける段階と、プレートに高周波信号を加え、媒体の誘電性が高周波信号に対するセンサプレートの応答信号に影響を及ぼす段階と、高周波信号とセンサプレートからの応答信号とを加えて回路の増幅器の電圧利得を制御する段階で、前記応答信号はセンサと表面の間の媒体を示す段階と、増幅器の出力と高周波信号とを区別する段階と、増幅器の出力と高周波信号との間の差に基づいて誘電性の値を決定する段階とを含む。

本発明はまた、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの重ね合わされた導電性プレートと該プレートに結合されたセンサ回路から構成される容量性センサに近接する媒体を非接触測定する方法として実施することができ、前記方法は、媒体に近接して容量性センサを位置付ける段階と、プレートに高周波信号を加える段階と、高周波信号と導電性プレートのセンサプレートからの媒体の特性を示す信号とを加えて、回路の増幅器の電圧利得を制御する段階と、増幅器の出力と高周波信号とを区別する段階と、増幅器の出力と高周波信号との間の差に基づいて媒体の特性の値を決定する段階とを含む。

図１及び図２は、表面１２近傍のセンサ１０、及びセンサと表面との間のギャップ１４を概略的に示す。センサは、該センサの前方にある誘電媒体のギャップ距離又は該誘電媒体の比例関係を示す信号を発生する。ギャップ距離の測定に加えて、センサを用いて、センサの前方を流れる流体の誘電性の変化、又は材料の厚さの変化を求めることもできる。

センサ１０は、互いに電気的に絶縁された３つの隣接する導電性プレート１６、１８、及び１９を含む。第２（アクティブシールド）プレート１６は、センサの裏面と第３（パッシブシールド）プレート１９から第１（センサ）プレート１８を遮蔽する。センサプレート１８は、表面１２及びギャップに面する。センサプレートは、ギャップ間にわたる静電容量を測定するのに使用され、表面に平行に配向される。アクティブシールドプレート１６はセンサプレート１８のすぐ後ろにあり、センサプレート１８からの入力を同様に有する演算増幅器２０への入力として接続されることにより、センサプレートをアクティブに遮蔽する。

ギャップの変位測定に加えて、センサ１０はまた、流体の深さ及び材料の厚さを測定するのに用いることができる。センサプレート１８からの静電容量２３信号は、隣接する媒体の誘電性によって影響を受ける。隣接する媒体は、例えば、センサプレートと別の表面１２との間のエアギャップ、センサプレートにわたる流体、或いはセンサプレートに当接する固体材料とすることができる。隣接する媒体の誘電性は、センサプレートからの信号に同様に影響を与える静電容量２３に影響を与える。センサプレートに隣接する媒体の誘電性は、流体が媒体である場合の流体の深さ又は不純物、或いは固体が媒体である場合の固体での厚さ又は不純物を示すものとすることができる。従ってセンサを用いて、センサプレートに隣接する流体の深さ、固体媒体の厚さ、或いは媒体での不純物を測定するのに使用できる。

パッシブシールドプレート１９は、センサの裏面からの追加の遮蔽を提供する。図３に示されるように、センサのパッシブシールドプレート１９は、センサ上に取り付けられた抵抗器１７を介してアースに接続される。抵抗値は、０オームから１０，０００オーム（１０ＫΩ）の間とすることができる。抵抗器１７の値は、遮蔽の最大量がセンサの裏面から得られるように選択することができる。パッシブシールド１９はまた、抵抗器２１を介してアクティブシールドプレート１８に接続されて、開放又は短絡コネクタを検出する非ＯＫ回路３６のＤＣ電流経路を形成する。パッシブ及びアクティブシールドプレート１８及び１９間の短絡は、演算増幅器（ｏｐ−ａｍｐ）２０及び非ＯＫ回路３６への入力線路２８上のＤＣ電圧を発生することになる。ＤＣ電圧を検出すると、非ＯＫ回路３６がセンサ回路の出力ドライバ５０と出力信号４２を無効にする。

図３は、センサ１０の電子回路の概略図である。回路は、容量性フィードバックループ２２を有する演算増幅器（ｏｐ−ａｍｐ）２０を含み、センサ１０と表面１２との間のギャップ１４の静電容量２３を検出する。高周波信号２４が、ｏｐ−ａｍｐ２０の非反転入力２８とセンサのアクティブシールドプレート１６とに印加される。高周波信号は、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの間とすることができ、１から１００ボルトの間の変化しないピークツーピーク電圧を有する。周期的な信号２４が、固定振幅ＡＣ信号を供給する高周波発生器又は発振器回路２６によって出力される。

センサプレート１８と表面１２との間の静電容量は、ｏｐ−ａｍｐ２０の高周波利得（出力電圧変化／入力電圧変化）を設定する。センサと表面１２との間の静電容量２３はギャップ１４の関数として変化する。ｏｐ−ａｍｐ２０の電圧利得は同様に、ギャップ１４の関数として変化する。一定の高周波信号２４が非反転入力２８に加えられ、センサプレート１８からの信号出力が反転入力３０に加えられる。高周波信号２８は一定の振幅を有し、ｏｐ−ａｍｐ２０の電圧利得はギャップ静電容量２３の関数として変化するので、ｏｐ−ａｍｐの出力電圧はギャップの関数として変化する。

ｏｐ−ａｍｐの反転入力３０はセンサプレート１８に接続される。ｏｐ−ａｍｐ２０は、反転入力３０に加えられるセンサプレート信号を非反転入力２８及びアクティブシールドプレート１６に加えられる高周波信号２４と等しくなるように保持する。信号は両方のｏｐ−ａｍｐ入力２８、３０で等しいので、センサプレートとアクティブシールドプレートとの間のインピーダンスの測定は重要ではない。２つの入力間、センサのプレート間、及びセンサに回路を接続するケーブルの導体間で発生する静電容量及びインピーダンスの変化は、ほぼ除去される。

ｏｐ−ａｍｐ２０からの出力信号３２（出力）は以下に等しい。

Ｏｕｔｐｕｔ＝Ｖｉｎ＋ＶｉｎｘＣ （ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）／Ｃ（Ｆｅｅｄｂａｃｋ）
Ｖｉｎは非反転入力２８に加えられる高周波信号であり、Ｃ（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）はセンサプレート１８と表面１２との間の静電容量であり、Ｃ（ｆｅｅｄｂａｃｋ）５２はｏｐ−ａｍｐの出力３２とｏｐ−ａｍｐの反転入力３０との間の静電容量であり、Ｃ（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）は測定されるべき静電容量値２３であって、ギャップ１４の距離を示す。

高周波信号２４とｏｐ−ａｍｐ出力信号３２との間の差は、センサプレート１８と表面１２の間のギャップ１４の静電容量２３を示す。ｏｐ−ａｍｐ出力信号３２及び高周波信号２４が発振電圧差信号３７を発生する差動増幅器３４に加えられ、該信号３７はｏｐ−ａｍｐによってギャップの静電容量を示す入力信号２４に加えられる利得を示す。

電圧差信号３７は、復調器３８（例えばピーク検出器）を使用して高周波入力信号から復調されて線形化される４０。最終出力電圧４２は測定されるギャップ１４に比例する。測定された静電容量（Ｃ（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ））２３はギャップに逆比例する。リニアライザ４０は、入力電圧に逆比例する出力電圧４６を供給する。出力ドライバ５０は、非ＯＫ回路３６がドライバを無効にしない限りは出力電圧４８を出力する４２。

本発明を現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものと関連させて説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されず、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

非接触容量性センサの概略図。 図１に示されるセンサ表面の端部分の拡大図。 容量性センサに関連する電子回路の概略図。

符号の説明

１０ センサ
１２ 表面
１４ ギャップ

Claims (10)

1. 表面（１２）と、互いに電気的に絶縁された少なくとも２つの重ね合わされた導電性プレート及び前記プレートに結合されたセンサ回路から構成される容量性センサ（１０）との間の変位を非接触測定する方法であって、
   （ａ）前記変位が前記表面と前記プレートの１つとの間のギャップ（１４）の距離であるように前記表面（１２）に近接して前記容量性センサ（１０）を位置付ける段階と、
   （ｂ）前記プレートに高周波信号（２４）を加える段階と、
   （ｃ）前記高周波信号と、前記センサ及び前記表面間の変位を表す前記導電性プレートのセンサプレート（１８）からの信号とを加えて、前記回路の増幅器（２０）の電圧利得を制御する段階と、
   （ｄ）前記増幅器の出力と前記高周波信号とを区別化する段階（３４）と、
   （ｅ）前記増幅器の出力と前記高周波信号の間の差に基づいて前記変位の値（４２）を決定する段階と、
   を含む方法。
2. 前記区別化する段階は、前記増幅器の出力のピークと前記高周波信号のピークとの間の差（３８）を感知する段階を更に含む請求項１に記載の方法。
3. 前記利得を制御する段階は、演算増幅器（２０）への入力（３０、２８）として前記センサプレートからの信号と前記高周波信号を加える段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記利得を制御する段階は、演算増幅器（２０）への入力（３０、２８）として前記センサプレートからの信号と前記高周波信号とを加える段階と、前記センサプレートからの信号に対するフィードバック（２２）として前記増幅器の出力を加える段階を更に含む請求項１に記載の方法。
5. 前記区別する段階は、前記増幅器の出力と前記高周波信号との間の差を線形化する段階（４０）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記利得を制御する段階は、演算増幅器（２０）への入力（３０、２８）として前記センサプレートからの信号と前記高周波信号とを加える段階を更に含み、前記区別する段階は、前記ギャップを示す周期的な差分信号を発生する差動増幅器（３４）への入力として前記演算増幅器の出力（３２）と前記高周波信号（２４）とを加える段階と、前記周期的な信号のピーク値を示す信号を発生するピーク検出器（３８）に前記周期的な差分信号を加える段階とを更に含み、前記ピーク値は前記ギャップを示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも２つの重ね合わされた導電性プレートは、前記センサプレート（１８）、アクティブシールドプレート（１６）、及びパッシブシールドプレート（１９）を更に含み、前記高周波信号は、前記センサプレート及び前記アクティブシールドプレートに加えられ、前記パッシブシールドプレートは、前記アクティブシールドプレート及び前記センサプレートから絶縁され、前記方法は更に、前記パッシブシールドプレートを抵抗性接続を介してアースに接続する段階を含む請求項１に記載の方法。
8. 該少なくとも２つの重ね合わされた導電性プレートは、前記センサプレート（１８）、アクティブシールドプレート（１６）、及びパッシブシールドプレート（１９）を更に含み、前記高周波信号は、前記センサプレート及び前記アクティブシールドプレートに加えられ、前記パッシブシールドプレートは、前記アクティブシールドプレート及び前記センサプレートから絶縁され、前記方法は更に、前記パッシブシールドプレートを接地する段階と、前記パッシブシールドプレートを抵抗性導電経路を介して前記高周波信号に結合する段階とを含む請求項１に記載の方法。
9. 前記パッシブシールドプレートの結合によって誘起される直流（ＤＣ）信号の高周波信号を監視する段階（３６）と、ＤＣ信号検出時に前記変位の値の決定を抑制する段階とを更に含む請求項８に記載の方法。
10. 互いに電気的に絶縁された少なくとも３つの重ね合わされた導電性プレート（１６、１８、１９）と前記プレートに結合されたセンサ回路とから構成される容量性センサ（１０）の近接する媒体（１４）の特性を測定する方法であって、前記プレートは、センサプレート（１８）と、パッシブシールドプレート（１９）と、該センサプレート及びパッシブシールドプレート間に挟まれたアクティブシールドプレート（１６）とを含み、前記方法は、
    （ａ）前記媒体が前記センサプレートに容量的に結合されるよう前記媒体に近接して前記容量性センサを位置付ける段階と、
    （ｂ）前記センサプレート及び前記アクティブシールドプレートに高周波信号（２４）を加える段階であって、前記媒体は前記高周波信号に対する前記センサプレートの応答に影響を与える段階と、
    （ｃ）前記高周波信号及び前記センサプレートによって前記センサ回路上に誘起された前記媒体を示す信号を加えて、前記回路の増幅器（２０）の電圧利得を制御する段階と、
    （ｄ）前記増幅器の出力と前記高周波信号を区別する段階（３４）と、
    （ｅ）前記加えられた信号と前記高周波信号との間の差に基づいて前記媒体を示す値（４２）を決定する段階と、
    を含む方法。

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