JP2007051899A

JP2007051899A - 接触型容量性変位センサ

Info

Publication number: JP2007051899A
Application number: JP2005236254A
Authority: JP
Inventors: Wonkyu Moon; ウォンキュ・モン; Moojin Kim; モジン・キム
Original assignee: Pohang University of Science and Technology Foundation POSTECH; Academy Industry Foundation of POSTECH
Current assignee: Pohang University of Science and Technology Foundation POSTECH; Academy Industry Foundation of POSTECH
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-03-01

Abstract

【課題】機械的設置誤差及び駆動方向と測定方向との間の不一致による誤差を低減できる、面積変化測定方式の接触型容量性変位センサを提供する。
【解決手段】本発明の接触型容量性変位センサは、固定平板と、前記固定平板上に形成されて周期性パターンの導電体を有する固定導電性パターンとを備える固定要素と、移動平板と、前記移動平板上に形成されて周期性パターンの導電体を有する移動導電性パターンを備え、前記固定要素と互いに接触し、相互に対して相対的変位を起こすように移動可能な移動要素と、電力を前記センサに供給する電源と、前記固定要素と前記移動要素との間の電気容量の変化を検出する信号検出手段とを含む。前記固定要素及び前記移動要素は、それぞれ対応する導伝性パターンと関連する絶縁膜を有し、上記固定導電体と上記移動導電体が相対的に移動する時に、これらの間で重なった領域が変動するにつれてこれらの間で前記電気容量の変動が発生する。
【選択図】図２

Description

本発明は、微少線形変位を測定するための接触型容量性変位センサに関し、更に固定要素と移動要素のそれぞれの導電性パターンが、相互に対して相対的に平行移動することによって変化する重畳面積に相応する電気容量(ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ)の変化を測定する、面積変化測定方式を用いた接触型容量性変位センサに関する。

一般に、容量性変位センサは、２つの導電性平板間の変位に相応する電気容量の変化を電気的信号として出力するセンサであって、２つの導電性平板を平行に対向させた時、２つの平板間の電気容量は２つの平板間の媒質の誘電率と２つの平板の面積に比例し、２つの平板のギャップに反比例する。すなわち、容量性変位センサは、２つの平板の間で相対的移動が起こり、２つの平板間のギャップや重なる面積が変化することによって電気容量また変化する現象を変位測定の原理として利用する。

したがって、容量性変位センサは、その測定方式によって、２通りに区分され、その１つは対向する２つの平板が相対的に平行移動する際に２つの平板間の垂直方向でギャップの変化を測定することで、もう１つは対向する２つの平板が相対的に平行移動する際に２つの平板の重なった面積の変化を測定することである (例えば、参照文献1)。

これまで、対向する２つの平板の間のギャップ(空間)の変化を測定する方式は、変位に対する敏感度が非常に高く、比較的に構造が単純であるという長所から微少変位の測定に主に用いられてきたが、この方式は変位が大きくなるほど敏感度が非線形的に急激に減少して測定可能な変位の範囲が極めて制約的で、機械的設置誤差に敏感であるため、細心な注意が必要であった。特に、駆動方向(例えば、水平方向)と測定方向(例えば、垂直方向)とが一致しないことから発生し得るアッベ誤差(ａｂｂｅｅｒｒｏｒ)、コサイン誤差などにより測定の信頼性が低下するとともに空間活用度が低いという問題点があった。

一方、これまで変位測定のための容量性変位センサとしては、機械的摩耗がなく、速い駆動速度にも対応可能という長所から非接触方式が主に用いられてきた。（参照文献１）１９９７年、ＩＥＥＥの３章に掲載されたＢａｘｔｅｒの論文「ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｓ」。

しかしながら、最近になって、原子顕微鏡、ナノ駆動システムといった超微細、超精密変位測定が求められる環境では変位測定用センサに対する要求条件、例えば、速度条件が大きく緩和されただけでなく、電気的ノイズの問題よりは機械的な設置誤差の問題が重要となってきた。このように、変位測定用センサの利用環境が大きく変化するにつれて、もはや非接触方式を用いる必要性はなくなった。

したがって、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械的設置誤差及び駆動方向と測定方向との間の不一致による誤差を低減できる、面積変化測定方式の接触型容量性変位センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、広い範囲の変位測定が可能で、駆動方向と測定方向とが一致して設置時に空間を節約できる、面積変化測定方式の接触型容量性変位センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の実施形態である接触型容量性変位センサは、固定平板と、前記固定平板上に形成されて互いに離隔される１つまたはそれ以上の固定導電体を有する固定導電性パターンとを備える固定要素と、移動平板と、前記移動平板上に形成されて少なくとも１つの移動導電体を有する移動導電性パターンを備え、前記固定要素と互いに接触し、相互に対して相対的変位を起こすように移動可能な移動要素と、電力を前記センサに供給する電源と、前記固定要素と前記移動要素との間の電気容量の変化を検出する信号検出手段とを含み、前記固定要素及び前記移動要素は、それぞれ対応する導伝性パターンと関連する絶縁膜を有し、上記固定導電体と上記移動導電体が相対的に移動するときに、これらの間で重なった領域が変動するにつれてこれらの間で前記電気容量の変動が発生することを特徴とする。

上記目的を達成するために本発明の他の実施形態である接触型容量性変位センサは、固定平板と、前記固定平板上に形成されて周期性パターンの導電体を有する固定導電性パターンとを備える固定要素と、移動平板と、前記移動平板上に形成されて周期性パターンの導電体を有する移動導電性パターンを備え、前記固定要素と互いに接触し、相互に対して相対的変位を起こすように移動可能な移動要素と、電力を前記センサに供給する電源と、前記固定要素と前記移動要素との間の電気容量の変化を検出する信号検出手段とを含み、前記固定要素及び前記移動要素は、それぞれ対応する導伝性パターンと関連する絶縁膜を有し、上記固定導電体と上記移動導電体が相対的に移動する時に、これらの間で重なった領域が変動するにつれてこれらの間で前記電気容量の変動が発生することを特徴とする。

本発明によれば、面積変化測定方式の接触型容量性変位センサは、機械的設置誤差及び駆動方向と測定方向の不一致による誤差を低減でき、駆動方向以外の変位誤差が含まれる余地がないため、信頼性の高い測定が可能となる。更に、駆動方向と測定方向とが一致するため、構成時に空間を節約でき、微少変位の測定はもちろん広い範囲の変位測定も可能であるという効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の好適な実施の形態を説明し、図面で同じ参照符号は同じ構成要素を称することにする。
図１は、本発明の実施形態による接触型容量性変位センサの構成図である。
本発明の接触型容量性変位センサは、固定要素１０と移動要素２０を含む。固定要素１０は固定平板１２と、固定平板１２上に形成されている固定導電性パターン(または固定電極パターン)１４と、固定平板１２を均一に被覆して固定導電性パターン１４を覆った薄い絶縁膜１６とから構成される。同様に、移動要素２０は移動平板２２と、移動平板２２上に形成されている移動導電性パターン(または移動電極パターン)２４と、移動平板２２を均一に被覆して移動導電性パターン２４を覆った薄い絶縁膜２６とから構成され、固定要素１０に対して摺動するように構成される。

固定要素１０と移動要素２０の絶縁膜１６、２６はそれぞれ薄く、例えば、固定要素１０と移動要素２０との間の通電を防止できる程度の厚さにコーティングされている。この絶縁膜１６、２６は摩擦係数が低く、耐摩耗性の物質から構成されなければならない。また、絶縁膜１６、２６は誘電率の高い物質から構成されて容量性変位センサの敏感度を向上させることができることが好ましい。絶縁膜１６、２６は、水素含有非結晶質カーボン(ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓｃａｒｂｏｎ：ａ−Ｃ：Ｈ，Ｃ_６Ｈ_６)のようなダイアモンド-類似カーボン(Ｄｉａｍｏｎｄ-ｌｉｋｅＣａｒｂｏｎ：ＤＬＣ)やＰＴＦＥ(ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ)のようなフッ化物とエチレンとの重合体(ｐｏｌｙｍｅｒｏｆｆｌｕｏｒｉｄｅａｎｄｅｔｈｙｌｅｎｅ)から製造されることができる。もちろん、摩擦と摩耗を更に低減するために、絶縁膜１６、２６上には潤滑液が塗布されることもできる。

固定要素１０と移動要素２０は、これらの絶縁膜１６、２６が互いに向かい合うように対向し接触されている。絶縁膜を間に置き、固定パターン１４と移動パターン２４との間で接触する領域では電界が発生する。移動要素２０は駆動ユニット６０により固定要素１０に対して摺動して平行移動(例えば、図面において矢印方向へ駆動)され、絶縁膜１６、２６が重なる面積を変化させて電気容量の変化を起こす。

また、接触型容量性変位センサは、弾性部材3０、交流電源４０及び信号検出器５０を更に含む。弾性バネのような弾性部材3０は一側が支持部(図示せず)により支持され、他側が固定要素１０に連結されており、固定要素１０と移動要素２０が常に密着した状態を維持するように固定要素１０を移動要素２０に対して付勢させる力を駆動方向に垂直な方向へ提供する。したがって、駆動ユニット６０の作動によって固定要素１０に対して移動要素２０が水平方向に駆動する時、その駆動方向の垂直方向に発生できる変位誤差の発生を遮蔽させ、更に移動要素２０の駆動時に伝達される振動を吸収して除去させる。

交流電源４０は、固定要素１０の導電性パターン１４に交流電源を供給する。交流電源４０は移動要素２０の変位が発生する時に電気的信号が出力できるように十分に供給されなければならない。本発明で交流電源４０を用いる理由は、直流電源を用いる場合、信号検出回路５０の構成が困難で、その性能もよくないので、好ましくないためである。

信号検出器５０は交流電源が供給されない移動要素２０の導電性パターン２４に連結されており、駆動ユニット６０により移動要素２０が駆動される時に発生する固定要素１０と移動要素２０との間の電気容量の変化を電気的信号として出力する。このような電気容量の変化は電圧または電流の大きさの変化、周波数変化など多様な電気的信号の変化として出力し、更に電気的信号の判別を図るために信号増幅、フィルタリング、モジュレーション/デモジュレーションなどを行う多様な電気的手段が含まれることもできる。

本実施形態で、弾性バネ3０と交流電源４０が固定要素１０側に連結されていると例示され説明されているが、これらを移動要素２０に連結することも可能である。この場合、信号検出器５０はこれと反対に固定要素１０に連結されなければならない。さらに、絶縁膜は固定要素及び移動要素のうち何れか一つに塗布されることもでき、またはこれらの両方に塗布されることもできるのは言うまでもない。

前述した構成を有する本発明による接触型容量性変位センサは、面積変化測定方式であって、固定要素１０と移動要素２０の導電性パターン１４、２４が絶縁膜１６、２６を介して互いに密着した状態で相対的に平行移動されることによって、変化する重畳面積に相応する電気容量の変化を測定して電気的信号として出力することで、変位変化を確認することができるようにした。

より詳細には、固定要素１０の導電性パターン１４に交流電源が印加された状態で駆動ユニット６０を作動させると、駆動ユニット６０により移動要素２０が固定要素１０に対して平行移動されて、導電性パターン１４と２４との重畳する面積が変化し、それによってこれらの間に電気容量の変化が生じ、この電気容量の変化は導電性パターン２４に連結されている信号検出器５０により検出されてから電気的信号として出力される。

このように出力された電気的信号は、信号検出器５０に連結されるマイクロプロセッサ(図示せず)などによって識別可能な値に変換されてディスプレイされ、ユーザにとって変位変化を確認することができるようにする。
このような本発明による面積変化測定方式の接触型容量性変位センサでは、絶縁膜１６、２６を誘電率の高い物質とするとともに、薄くて均一な厚さに形成して固定要素１０と移動要素２０との間をより近くすることで、その敏感度を向上させて微少変位の測定のための高い精度を確保することができる。

再度、図１を参照すると、固定要素１０の導電性パターン１４は互いに離隔分離された２片の固定導電体(または固定電極)から構成され、移動要素２０の導電性パターン２４は１片の移動導電体(移動電極)から構成されている。したがって、移動要素２０が固定要素１０に対して移動することによって、導電性パターン１４の各導電体と導電性パターン２４の導電体との間で重なった面積が変化されて、これらの間に電気容量の変化が起こる。詳細には、移動導電体２４と固定導電体のうちの一側、例えば、左側の固定導電体との重畳面積が増加する場合にその電気容量は増加するが、移動導電体２４と右側の固定導電体との重畳面積が減少する場合はその電気容量が減少する。このような電気容量の変化は、信号検出器５０により変位として検出される
または、固定要素１０と移動要素２０の導電性パターン１４、２４は、何れも１つの導電体だけで構成することもできる。

一方、図２は本発明の第２の実施形態による接触型容量性変位センサの構成図である。固定要素及び移動要素の導電性パターン以外は、図１の実施形態の構成と同一であるため、他の構成要素に対する詳細な説明は省略することにする。
第２の実施形態の容量性変位センサにおいて、固定要素１０及び移動要素２０の導電性パターンは、それぞれ同じパターンを繰り返す周期性形状、例えば、図３ａ及び図３ｂに示すように、ジグザグ状を有する導電性パターン１４ａ、２４ａを有している。周期性パターンの反復周期は数百マイクロメターやそれより小さい方が好ましいが、これは接触形容量性変位センサの解像度と敏感度を改善させることができるからである。このような周期性パターンを有する導電性パターン１４ａ、２４ａを用いると、移動要素２０が移動するにつれて、固定要素１０と移動要素２０との間の電気容量は周期的に変化するようになる。したがって、この場合には１周期内の容量変化で微少変位を測定し、繰り返される周期の回数をカウントすることで、広い範囲の変位を安定的に測定できる。このような反復的な周期性パターンを用いることによって測定可能な変位の範囲は、周期性パターンの回数が増加するにつれて、拡大されることができる。

図３ａには、図２に示す固定要素の導電性パターンを、図３ｂには、図２に示す移動要素の導電性パターンを詳細に示す平面図である。
図３ａに示す導電性パターンは、１つのジグザグ状導電体１４ａから構成されており、図３ｂに示す導電性パターンは３片の導電体２４ａ、２４ｂからなっている。中間の導電体２４ａは、図３ａに示すジグザグ状導電体１４ａよりも短い長さのジグザグ状を有する。ジグザグ状導電体２４ａは、固定要素１０のジグザグ状導電体１４ａとの重畳面積の変化による電気容量の変化を表す信号を生成して信号検出器５０に送出する。１対の導電体２４ｂは、ジグザグ状導電体２４ａを挟んでその両側にそれぞれ絶縁膜２６を介して対向して配置されている。それぞれの導電体２４ｂは、接地に連結されて中間のジグザグ状導電体２４ａと重畳しないジグザグ状導電体１４ａの両端でそれぞれ発生する電界の影響が中間のジグザグ状導電体２４ａに及ばないように遮蔽する遮蔽電極として作用し、均一な出力信号が得られるようにする。また、図３ａと図３ｂに示されている構成は、互いに反対に構成することができる。

図４ａ及び図４ｂはそれぞれ図１及び図２に図示された本発明の実施形態に適用可能である変形実施形態の平面図及び斜視図である。これに関連し、本変形実施形態は固定要素に対してのみ例示されているが、固定要素だけではなく移動要素にも適用可能で、さらに本発明の全ての実施形態にも適用可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態では絶縁膜１６及び２６が固定平板１２及び移動平板２２上に塗布されているように図示されている。これに対し、図４ａ(及び図４ｂ)から分かるように、本変形実施例の絶縁膜１８固定導電性パターン(及び移動導電パターン)が形成された領域以外の領域、例えば、固定導電性パターン(及び移動導電性パターン)のエッジ上の両側に移動方向によって形成されている。このような絶縁膜(１８)は導電性パターンの高さより高く、固定要素と移動要素との摺動を助けるガイドまたは固定要素と移動要素が直接接触しないようにするスペーサの役割をする。このような構成は導電性パターンが絶縁膜を導電性パターン上に蒸着させる時、導電性パターンの破損を防止し、異物による導電性パターンの破損を防止することができる。図５は、本発明による接触型容量性変位センサの他の変形実施形態を示す構成図である。

図５に示す接触形容量性変位センサは、弾性部材3０と固定要素１０との間に配置されるボール-ソケット-ジョイントアセンブリ７０を更に含むことを除けば、図２に示す変位センサと同一である。したがって、残りの構成要素に対する詳細な説明は省略する。

ボール-ソケット-ジョイントアセンブリ７０は、固定要素１０を移動要素に対しスイングするようにする。従って、移動要素２０を固定要素１０に対して平行しない方向に駆動させる場合も、移動要素２０に密着されている固定要素１０をスイングするようにして、移動要素２０が固定要素１０に対してしっかりとした密着が維持できるようにする。

もし、ボール-ソケット-ジョイントアセンブリ７０が備えられなければ、移動要素２０の駆動方向が固定要素１０と平行しない場合、駆動方向以外の方向に駆動することで発生する変位誤差が測定値に含まれるようになり、更に電気容量変位センサの破損を誘発することもできる。ボール-ソケット-ジョイントアセンブリは、固定要素１０または移動要素２０のうちの何れか１つに一体に合体されるか、または個別の構成で形成されることができ、傾斜ステージを代わりに用いることもできる。

以上の内容は本発明の好適な実施の形態を例示したものに過ぎないもので、本発明は、請求範囲に開示された本発明の範疇内で多様に変更及び修正可能なものである。

本発明の実施形態による接触型容量性変位センサの構成図である。本発明の他の実施形態による接触型容量性変位センサの構成図である。図２に示す固定要素の導電性パターンの平面図である。図２に示す移動要素の導電性パターンの平面図である。本発明の実施形態に適用可能な変形実施形態の平面図である。本発明の実施形態に適用可能な変形実施形態の斜視図である。ボール-ソケット-ジョイントアセンブリを有する本発明の実施形態の他の変形実施形態の構成図である。

符号の説明

１０・・・固定要素１２・・・固定平板１４、１４ａ・・・固定導電性パターン１６、２６・・・絶縁膜２０・・・移動要素２２・・・移動平板２４、２４ａ・・・移動導電性パターン２４ｂ・・・遮蔽導電体３０・・・弾性部材４０・・・交流電源５０・・・信号検出器６０・・・駆動ユニット７０・・・ボール-ソケット-ジョイントアセンブリ

Claims

接触型容量性変位センサ(contact-type electric capacitive displacement sensor)において、
固定平板と、前記固定平板上に形成されて互いに離隔される１つまたはそれ以上の固定導電体を有する固定導電性パターンとを備える固定要素と、
移動平板と、前記移動平板上に形成されて少なくとも１つの移動導電体を有する移動導電性パターンを備え、前記固定要素と互いに接触し、相互に対して相対的変位を起こすように移動可能な移動要素と、
電力を前記センサに供給する電源と、
前記固定要素と前記移動要素との間の電気容量(capacitance)の変化を検出する信号検出手段とを含み、
前記固定要素及び前記移動要素は、それぞれ対応する導電性パターンと関連する絶縁膜を有し、上記固定導電体と上記移動導電体が相対的に移動するときにこれらの間で重なった領域が変動するにつれてこれらの間で前記電気容量の変動が発生することを特徴とする接触型容量性変位センサ。
前記固定要素と移動要素とがしっかりと密着した状態を維持するように前記固定要素を前記移動要素に付勢する弾性部材を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の接触型容量性変位センサ。
前記固定要素を前記移動要素に対してスイングせしめるスイング手段を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の接触型容量性変位センサ。
前記絶縁膜は前記導電性パターン及び前記固定導電性パターンのうち何れか１つに塗布された請求項１に記載の接触型容量性変位センサ。
前記絶縁膜は前記固定平板及び前記移動平板上に、前記固定導電性パターンと前記移動導電性パターンが形成された領域以外の領域に形成される請求項１に記載の接触型容量性変位センサ。
前記絶縁膜は低い摩擦係数、高い耐磨耗性と高い誘電定数を有する物質からなる請求項４または請求項５に記載の接触型容量性変位センサ。
前記物質はダイアモンド−類似カーボン(Ｄｉａｍｏｎｄ-ｌｉｋｅｃａｒｂｏｎ)と、フッ化物とエチレンとの重合体(ｐｏｌｙｍｅｒｏｆｆｌｕｏｒｉｄｅａｎｄｅｔｈｙｌｅｎｅ)からなるグループから選択される請求項６に記載の接触型容量性変位センサ。
接触型容量性変位センサにおいて、
固定平板と、前記固定平板上に形成されて周期性パターンの導電体を有する固定導電性パターンとを備える固定要素と、
移動平板と、前記移動平板上に形成されて周期性パターンの導電体を有する移動導電性パターンを備え、前記固定要素と互いに接触し、相互に対して相対的変位を起こすように移動可能な移動要素と、
電力を前記センサに供給する電源と、
前記固定要素と前記移動要素との間の電気容量の変化を検出する信号検出手段とを含み、
前記固定要素及び前記移動要素は、それぞれ対応する導伝性パターンと関連する絶縁膜を有し、上記固定導電体と上記移動導電体が相対的に移動する時にこれらの間で重なった領域が変動するにつれてこれらの間で前記電気容量の変動が発生することを特徴とする接触型容量性変位センサ。
前記固定要素と移動要素とがしっかりと密着した状態を維持するように前記固定要素を前記移動要素に付勢する弾性部材を更に含むことを特徴とする請求項８に記載の接触型容量性変位センサ。
前記固定要素を前記移動要素に対してスイングせしめるスイング手段を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の接触型容量性変位センサ。
前記周期性パターンは、ジグザグ状であることを特徴とする請求項８に記載の接触型容量性変位センサ。
前記絶縁膜は前記導電性パターン及び前記固定導電性パターンのうち何れか１つに塗布された請求項８に記載の接触型容量性変位センサ。
前記絶縁膜は前記固定平板及び前記移動平板上に、前記固定導電性パターンと前記移動導電性パターンが形成された領域以外の領域に形成される請求項８に記載の接触型容量性変位センサ。
前記絶縁膜は低い摩擦係数、高い耐磨耗性と高い誘電定数を有する物質からなる請求項１２または請求項１３に記載の接触型容量性変位センサ。
前記物質はダイアモンド−類似カーボン(Diamond-like carbon)と、フッ化物とエチレンとの重合体(ｐｏｌｙｍｅｒｏｆｆｌｕｏｒｉｄｅａｎｄｅｔｈｙｌｅｎｅ)からなるグループから選択される請求項１４に記載の接触型容量性変位センサ。
前記固定導電性パターンは、一連の固定導電体を備え、
前記移動導電性パターンは、前記固定導電体よりも短い長さの一連の移動導電体と一対の遮蔽導電体を備え、
前記遮蔽導電体は接地に連結され、前記移動導電体と重ならない前記固定導電体の端部から生じる電界の影響を遮蔽するように前記移動導電体の両端部で配置されていることを特徴とする請求項８に記載の接触型容量性変位センサ。
前記固定導電体と前記移動導電体のそれぞれは、ジグザグパターンを有する請求項１６に記載の接触型容量性変位センサ。