JP2005516225A - 接続状態が不良である測定対象物の高精度で非接触型の静電容量変位測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は2002年1月30日に出願した米国仮出願第60/352827号(発明の名称:接続状態が不良である測定対象物の高精度で非接触型の静電容量変位測定方法)の優先権を主張する。
該当なし
本発明は非接触型の静電容量変位測定ゲージに関し、特に未知のあるいは制御できないインピーダンスを有する測定要素の変位を測定することができる非接触型の静電容量変位測定ゲージに関するものである。
本発明に基づき、接続状態が良好である測定対象物と不良である測定対象物に高精度な変位測定を提供する非接触型の静電容量変位測定ゲージを開示する。本開示の静電容量変位測定ゲージは測定要素に流れ込む電流が実質的にゼロになるように構成された静電容量プローブを少なくとも一つ用いることによって、測定要素とゲージの間の不完全な電気的接続がゲージの性能に与えうる悪影響を無効にする。
2002年1月30日に出願した米国仮出願第60/352827号(発明の名称:接続状態が不良である測定対象物の高精度で非接触型の静電容量変位測定方法)の開示内容を引用によって本明細書に組み込む。
I=C(dV/dt) (1)
さらに、周期的な駆動電圧によって誘導された定常電流の数式は次のように表される。
I=sCV (2)
この場合sは複素周波数変数であり、IとVはそれぞれ周期的な電流と電圧の実効値(rms値)である。
C=ε0A/d (3)
この場合ε0は自由空間の誘電率、Aは測定要素の面積、dはプローブから測定要素までの距離である。
It=sVgε0Ag/dg+sVsε0As/ds (4)である。
この場合、Vgはガード電圧、Agはガード電極の面積、dgはガード電極から測定要素までの距離、Vsはセンサ電圧、Asはセンサ電極の面積、dsはセンサ電極から測定要素までの距離である。従って従来の静電容量プローブ404は合計電流Itを測定要素に流し込むように構成されており、その場合の合計電流Itは数式(4)のように表される。
It=sVgε0Ag/dg+sVsε0As/ds
この場合dgはガード電極から測定要素までの距離、dsはセンサ電極から測定要素までの距離である。静電容量プローブ(例えばプローブ504)が測定要素(例えば測定要素506)へ流す電流が実質的にゼロであることを確実にするために、補償因数sVcε0Ac/dcを数式(4)に加えることができ、以下の数式(5)で表される。
It=sVgε0Ag/dg+sVsε0As/ds+sVcε0Ac/dc=0(5)
この場合Vcは補償電圧、Acは補償電極(例えば補償電極530)の面積、dcは補償電極から測定要素までの距離である。数式(5)に示すように補償因数を加えることで合計電流Itがゼロになるので、静電容量プローブ504から測定要素506へ流れ込む電流が実質的にゼロになるように補償電極530を含む静電容量プローブ504を構成することができる。
ds=dg=dc (6)
例えば、数式(6)に示す条件は静電容量プローブ604のセンサ電極607、ガード電極631、補償電極630が同一平面上にある場合に満たされる可能性がある。しかし、数式(6)が厳密に成り立たない場合および/または増幅器540(図5を参照)が好ましい補償電圧Vcを補償電極に厳密に提供しない場合でも、部分的なプローブの補償が得られることは明らかである。さらに別の実施例において、プローブ604はセンサ電極607、ガード電極631、補償電極630に加えて1つ以上の駆動および/または接地電極を含むことができることも明らかである。図解を明確化するために、図6にはセンサ電極607、ガード電極631、および補償電極630を含むプローブ604を示す。
本発明は添付図面と連携して以下の発明の詳細な説明を参照することで一層の理解が得られるであろう。
Claims (35)
- 検出された静電容量は測定要素の変位に対応するのであり、静電容量プローブと測定要素との間の静電容量を検出するように構成された少なくとも一つの静電容量プローブと、
前記静電容量プローブは第一励起信号に反応して第一駆動信号を発生するのであり、前記静電容量プローブに前記第一励起信号を提供するように構成された第一励起信号発生器と、
前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にするために前記静電容量プローブによって発生した第一駆動信号を補償するように構成された補償サブシステムと、を具備することを特徴とする静電容量変位測定システム。 - 前記第一励起信号発生器は前記励起信号をセンサ電極に提供するように構成されており、前記静電容量プローブが前記センサ電極を含む請求項1に記載のシステム。
- 前記第一励起信号発生器は前記第一励起信号をガード電極に提供するように構成されており、前記静電容量プローブがさらに前記ガード電極を含む請求項2に記載のシステム。
- 前記補償サブシステムは補償電極と、第二励起信号を前記補償電極に提供するように構成された第二励起信号発生器とを含み、その結果第一駆動信号を補償するための第二駆動信号が発生する請求項1に記載のシステム。
- 前記補償電極が前記静電容量プローブの部分を構成する請求項4に記載のシステム。
- 第二励起信号発生器が所定の伝達関数を有する増幅器を構成する請求項4に記載のシステム。
- 前記増幅器は前記第一励起信号に反応して前記第二励起信号を発生するように構成されており、前記第一励起信号発生器がさらに、前記第一励起信号を前記増幅器に提供するように構成された請求項6に記載のシステム。
- 前記補償サブシステムは補償電極を含み、前記静電容量プローブはセンサ電極と前記補償電極を含む請求項1に記載のシステム。
- 前記静電容量プローブはさらにガード電極を含む請求項8に記載のシステム。
- 前記センサ電極は前記測定要素からの第一所定距離で、前記補償電極は前記測定要素からの第二所定距離で、前記第一所定距離は前記第二所定距離に等しい請求項8に記載のシステム。
- 前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同一平面上にある請求項10に記載のシステム。
- 前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同心円状要素を構成する請求項8に記載のシステム。
- 前記補償サブシステムは所定の伝達関数を有した増幅器と前記増幅器の出力に連結した補償電極を含み、前記静電容量プローブはセンサ電極と前記補償電極を含み、前記第一励起信号発生器は前記第一励起信号を、前記第一駆動信号を発生させるために前記センサ電極へ、および前記第二励起信号を前記補償電極に提供することで前記補償電極を経由して第二駆動信号が発生することになる前記増幅器の入力へ、と提供するように構成されている請求項1に記載のシステム。
- 前記静電容量プローブはさらにガード電極を含み、前記第一励起信号発生器はさらに第三駆動信号を発生するように前記第一励起信号を前記ガード電極に提供するように構成されている請求項13に記載のシステム。
- 前記補償電極を経由して発生した前記第二駆動信号は、前記センサ電極を経由して発生した前記第一駆動信号と、前記ガード電極を経由して発生した前記第三駆動信号をそれぞれ補償することにより前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にする請求項14に記載のシステム。
- さらに前記第一励起信号発生器と前記ガード電極との間に連結されたユニティゲインの増幅器を含む請求項14に記載のシステム。
- 前記センサ電極、前記ガード電極、および前記補償電極は前記測定要素からの所定距離をそれぞれ有する請求項14に記載のシステム。
- 前記センサ電極、前記ガード電極、および前記補償電極は実質的に同一平面上にある請求項17に記載のシステム。
- 前記センサ電極、前記ガード電極、および前記補償電極は実質的に同心円状要素を構成する請求項14に記載のシステム。
- 静電容量プローブは第一励起信号に反応して第一駆動信号を発生するのであり、第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を少なくとも一つの前記静電容量プローブに提供する段階と、
検出された静電容量は測定要素の変位に対応するのであり、前記静電容量プローブによって前記静電容量プローブと測定要素との間の静電容量を検出する段階と、
前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にするために補償サブシステムによって前記第一駆動信号を補償する段階と、を具備することを特徴とする静電容量変位測定システムの操作方法。 - 前記提供する段階には前記第一励起信号を前記静電容量プローブに含まれたセンサ電極に提供することを含む請求項20に記載の方法。
- 前記提供する段階には前記第一励起信号を前記静電容量プローブに含まれたガード電極に提供することを含む請求項21に記載の方法。
- 補償電極と第二励起信号発生器が前記補償サブシステムに含まれることで前記第一駆動信号を補償するための第二駆動信号を発生するのであり、前記第二励起信号発生器によって第二励起信号を前記補償電極に提供する段階をさらに含む請求項20に記載の方法。
- 前記補償電極と前記第二励起信号発生器は前記補償サブシステムに含まれ、前記補償電極は前記静電容量プローブの部分であり、前記第二の提供する段階には前記第二励起信号発生器によって前記第二励起信号を前記補償電極に提供することを含む請求項23に記載の方法。
- 前記第二励起信号発生器は所定の伝達関数を有する増幅器で構成されるのであり、前記第二の提供する段階には前記第二励起信号発生器によって前記第二励起信号を前記補償電極に提供することを含む請求項23に記載の方法。
- 前記第一の提供する段階には前記第一励起信号を前記増幅器に提供することを含む請求項25に記載の方法。
- 前記増幅器によって前記第一励起信号に反応して前記第二励起信号を発生する段階をさらに含む請求項26に記載の方法。
- 前記補償サブシステムは補償電極を含むのであり、前記補償する段階には前記補償サブシステムによって前記第一駆動信号を補償することを含み、前記静電容量プローブはセンサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含む請求項20に記載の方法。
- 前記静電容量プローブは前記センサ電極、前記補償電極、およびガード電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含む請求項28に記載の方法。
- 前記静電容量プローブは前記センサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含み、前記センサ電極は前記測定要素からの第一所定距離であり、前記補償電極は前記測定要素からの第二所定距離であり、前記第一所定距離は前記第二所定距離に等しい請求項28に記載の方法。
- 前記静電容量プローブは前記センサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含み、前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同一平面上にある請求項30に記載の方法。
- 前記静電容量プローブは前記センサ電極と前記補償電極を含むのであり、前記提供する段階には前記第一励起信号発生器によって前記第一励起信号を前記静電容量プローブに提供することを含み、前記センサ電極と前記補償電極は実質的に同心円状要素を構成する請求項30に記載の方法。
- 前記提供する段階には前記第一励起信号を、前記第一駆動信号を発生させるためにセンサ電極へ、および第二励起信号を補償電極に提供することで前記補償電極を経由して第二駆動信号が発生することになる増幅器の入力へ、と提供することを含み、前記増幅器は所定の伝達関数を有し、前記補償電極は前記増幅器の出力に連結されており、前記増幅器と前記補償電極は前記補償サブシステムに含まれており、前記センサ電極と前記補償電極は前記静電容量プローブの部分である請求項20に記載の方法。
- ガード電極は前記静電容量プローブの一部であり、前記提供する段階にはさらに第三駆動信号を発生するために前記第一励起信号を前記ガード電極に提供することを含む請求項33に記載の方法。
- 前記補償する段階には前記センサ電極を経由して発生した前記第一駆動信号と、前記ガード電極を経由して発生した前記第三駆動信号をそれぞれ補償することで前記測定要素へ流れ込む電流が実質的にゼロであることを確実にする、前記補償電極によって発生した前記第二駆動信号を使用することを含む請求項34に記載の方法。
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