JP2007085959A - Capacitive displacement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量式変位センサーに関し、特に、磁気共鳴力顕微鏡(MRFM)に用いて好適な静電容量式変位センサーに関する。 The present invention relates to a capacitive displacement sensor, and more particularly to a capacitive displacement sensor suitable for use in a magnetic resonance force microscope (MRFM).
コンデンサを構成する2枚の電極のうち、片方の電極を検出電極、もう片方の電極を被測定体側の電極とすると、両電極間に発生する静電容量C0は、下式(1)で与えられる。 Of the two electrodes constituting the capacitor, if one electrode is the detection electrode and the other electrode is the electrode on the measured object side, the capacitance C 0 generated between the two electrodes is expressed by the following equation (1). Given.
ここで、εは電極間の誘電率、Sは電極同士が対向する面積、dは電極間距離を表わす。つまり、静電容量C0を計測することによって、検出電極の位置に対する被測定体の相対的な位置変位が得られる。静電容量式変位センサーの特徴は、電極同士が非接触で測長が行なえ、測長に際して被測定体に物理的な負荷を与えないことである。
Here, ε represents the dielectric constant between the electrodes, S represents the area where the electrodes face each other, and d represents the distance between the electrodes. That is, by measuring the capacitance C 0 , the relative displacement of the measured object with respect to the position of the detection electrode can be obtained. The feature of the capacitive displacement sensor is that the electrodes can be measured without contact with each other, and a physical load is not applied to the measurement object during the measurement.
図1に、一般的に用いられる静電容量式変位センサーの構成例を上げる。図中1は検出電極、2は被測定体である。検出電極1と被測定体2の間の誘電率はε、距離はd、検出電極1の電極面積はSである。被測定体2は被測定体でありながら電極をも兼ねるため、表面は電気良導体である必要がある。さらに、表面電位を検出回路の共通アースと同電位に設定する必要がある。
FIG. 1 shows a configuration example of a commonly used capacitance type displacement sensor. In the figure, 1 is a detection electrode, and 2 is an object to be measured. The dielectric constant between the detection electrode 1 and the measured
3は、検出電極1を固定保持する電極ホルダーである。電極ホルダー3が電気良導体である場合には、電極ホルダー3と検出電極1の間に絶縁材を挟む必要がある。4は、容量がCrであるような参照用標準静電容量である。5は、検出電極1と参照用標準静電容量4とを電気的に接続する配線、6は、参照用標準静電容量4へ交流電圧信号を伝送する配線である。8は、交流定電圧発振器、9は、交流電圧信号受信器である。
ここで、交流定電圧発振器8の出力電圧実効値をV0とすると、交流電圧信号受信器9で検出される実効電圧値V1は、下式(2)で与えられる。
Here, assuming that the output voltage effective value of the AC
参照用標準静電容量Crの容量値は既知であるため、実効電圧値V1を計測することによって、検出電極1と被測定体2とが与える静電容量C0の値を得ることができる。つまり、式(1)により、検出電極1の電極面積Sおよび検出電極1と被測定体2の間の誘電率εが既知であれば、得られたC0の値から、検出電極1と被測定体2の距離dが導出される。
Since the capacitance value of the reference standard capacitance C r is known, the value of the capacitance C 0 provided by the detection electrode 1 and the measured
ところで、図1には、電極1、2間の静電容量C0および参照用標準静電容量Crが明記されている。しかしながら、現実的な問題として、静電容量検出回路内に、以下に上げるような浮遊容量が発生する。
(1)検出電極1とホルダー3の周辺に、被測定体2の他にアースと同電位の導体が存在する場合、その導体と検出電極1との間に浮遊容量が発生する。
(2)配線5の周囲に、アースと同電位の導体が存在する場合、その導体と検出電極1との間に浮遊容量が発生する。
(3)配線6の周囲に、アースと同電位の導体が存在する場合、その導体と検出電極1との間に浮遊容量が発生する。
(1)から(3)の浮遊容量の総和をCsとすると、交流電圧信号受信器9で検出される実効電圧値V1は、下式(3)で与えられる。
In FIG. 1, the capacitance C 0 between the
(1) When a conductor having the same potential as the ground is present in addition to the
(2) When a conductor having the same potential as the ground exists around the wiring 5, stray capacitance is generated between the conductor and the detection electrode 1.
(3) When a conductor having the same potential as that of the ground exists around the wiring 6, stray capacitance is generated between the conductor and the detection electrode 1.
When the total of the stray capacitances (1) to (3) is C s , the effective voltage value V 1 detected by the AC
(3)式から、C0に対してCsが大きくなると(C0<Cs)、V1の値はCsに大きく依存することが理解できる。そして、電極間距離dの変位δdに対するV1の変化量δV1は、下式(4)で与えられる。
From equation (3), it can be understood that when C s increases with respect to C 0 (C 0 <C s ), the value of V 1 greatly depends on C s . The change amount δV 1 of V 1 with respect to the displacement δd of the interelectrode distance d is given by the following equation (4).
(4)式から、C0に対してCsが大きくなると(C0<Cs)、δd/dに対するδV1/V1の比例係数C0/(C0+Cr+Cs)が減少し、dの変位検出感度が低下することが理解できる。
From equation (4), when C s increases with respect to C 0 (C 0 <C s ), the proportional coefficient C 0 / (C 0 + C r + C s ) of δV 1 / V 1 with respect to δd / d decreases. It can be understood that the displacement detection sensitivity of d and d decreases.
例えば、直径1φの円盤形状を持つ小型検出電極を用いたとする。εを真空誘電率とすると、d=10μmとした場合、C0=0.70pFと計算される。また、d=20μmに変位した場合に、C0=0.35pFと計算される。さらに、参照用標準静電容量4と交流定電圧発振器8との間の距離が隔たれている状況を仮定し、配線6として1mの同軸ケーブル1.5C−2V(特性インピーダンス75Ω、単位メートルあたりの静電容量は67pF)を用いたとする。このとき、浮遊容量Csは67pFになる。また、Cr=5pF、V0=1Vとする。
For example, assume that a small detection electrode having a disk shape with a diameter of 1φ is used. Assuming that ε is a vacuum dielectric constant, when d = 10 μm, C 0 = 0.70 pF is calculated. Further, when it is displaced to d = 20 μm, it is calculated as C 0 = 0.35 pF. Further, assuming that the distance between the reference
この場合に、C0=0pFのとき、V1=0.0694V、C0=0.70pFのとき、V1=0.0688V、C0=0.35pFのとき、V1=0.0691Vとなる。つまり、V1はC0の変化を反映しがたく、大きな浮遊容量Csの値で決まる。また電極間距離dの変位検出感度を示す比例係数C0/(C0+Cr+Cs)は、0.0688になり、1よりも著しく低下する。 In this case, when C 0 = 0 pF, V 1 = 0.0694 V, when C 0 = 0.70 pF, V 1 = 0.0688 V, and when C 0 = 0.35 pF, V 1 = 0.0691 V. Become. That is, V 1 is difficult to reflect the change in C 0 and is determined by the value of the large stray capacitance C s . The proportionality coefficient C 0 / (C 0 + C r + C s ) indicating the displacement detection sensitivity of the inter-electrode distance d is 0.0688, which is significantly lower than 1.
このように、従来技術において、例えば小型静電容量式変位センサーなど、小さな静電容量しか発生できない静電容量センサーを取り扱う場合に、浮遊容量が大きく影響する。 Thus, in the prior art, when a capacitance sensor that can generate only a small capacitance, such as a small capacitance displacement sensor, is handled, the stray capacitance greatly affects.
浮遊容量が大きくなることによって、以下の問題が浮上する。 As the stray capacitance increases, the following problems arise.
1.出力電圧V1が、目的のC0ではなく、浮遊容量Csに大きく依存する。具体的に、測定中に配線ケーブルを曲げるなど、配線ケーブルを変化させた場合に、配線ケーブルで発生する浮遊容量が変化し、被測定体の位置変化量に誤差が発生する、といった問題が発生する。 1. The output voltage V 1 largely depends on the stray capacitance C s , not the target C 0 . Specifically, when the distribution cable is changed, such as bending the distribution cable during measurement, the stray capacitance generated in the distribution cable changes, causing an error in the amount of change in the position of the measured object. To do.
2.C0の変化に対する出力電圧V1のダイナミックレンジが効率よく稼げない。つまり、V1は大きな浮遊容量Csで決まる有限な値を持ち、その値に電圧レンジを合わせると、C0の変化に対するV1の小さな変化量が効率よく計測されない。 2. The dynamic range of the output voltage V 1 with respect to the change of C 0 cannot be obtained efficiently. That is, V 1 has a finite value determined by a large stray capacitance C s , and if the voltage range is matched with that value, a small change amount of V 1 with respect to the change of C 0 cannot be measured efficiently.
3.相対変位δd/dに対し、電圧計測精度δV1/Vは、浮遊容量Csの逆数に依存し、大きな浮遊容量Csの存在によって、電圧計測精度が著しく低下する。 3. To relative displacement .delta.d / d, the voltage measurement accuracy .DELTA.V 1 / V, depending on the reciprocal of the stray capacitance C s, the presence of a large stray capacitance C s, the voltage measurement accuracy drops remarkably.
また、浮遊容量を小さくする場合に、以下の問題が浮上する。 In addition, the following problems arise when the stray capacitance is reduced.
4.配線ケーブルを長くすることができない、もしくは、発振器を測定系の中に組み込まなければならない、など制限が加わる。この制限は、測定系が狭い空間に限られる環境、また真空下、低温高温下、高磁場下など、特殊な環境にある場合に問題となる。 4). Restrictions are imposed such that the wiring cable cannot be lengthened or the oscillator must be incorporated in the measurement system. This limitation becomes a problem in an environment where the measurement system is limited to a narrow space, or in a special environment such as a vacuum, a low temperature, a high temperature, or a high magnetic field.
本発明の目的は、上述した点に鑑み、静電容量の変位測定時に、浮遊容量による影響を最小限に抑えることができるような静電容量式変位センサーを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a capacitance type displacement sensor that can minimize the influence of stray capacitance when measuring the displacement of the capacitance in view of the above points.
この目的を達成するため、本発明にかかる静電容量式変位センサーは、
静電容量を発生する2枚から成る電極対のうち、第1の電極に交流定電圧を印加して、その結果、第2の電極に発生する交流電流を測定することにより、前記2枚の電極間距離を求めるようにしたことを特徴としている。
In order to achieve this object, a capacitive displacement sensor according to the present invention includes:
Of the two electrode pairs that generate capacitance, an AC constant voltage is applied to the first electrode, and as a result, the AC current generated in the second electrode is measured, thereby the two electrodes It is characterized in that the distance between electrodes is obtained.
また、前記静電容量に比例した交流電流は、電圧値に変換後、位相検波回路で交流電圧の振幅値として出力させることにより、前記2枚の電極間距離を求めるようにしたことを特徴としている。 Further, the AC current proportional to the capacitance is converted into a voltage value, and then output as an amplitude value of the AC voltage by a phase detection circuit, whereby the distance between the two electrodes is obtained. Yes.
また、前記電極対は3軸方向に1対ずつ設置され、そのうち片側は、1枚の共通電極で構成されていることを特徴としている。 In addition, the electrode pairs are provided one by one in the direction of the three axes, and one of the electrode pairs is constituted by one common electrode.
また、前記各電極対に印加される交流定電圧の周波数は、それぞれ異なる周波数であることを特徴としている。 Further, the frequency of the AC constant voltage applied to each of the electrode pairs is different from each other.
本発明の静電容量式変位センサーによれば、
静電容量を発生する2枚から成る電極対のうち、第1の電極に交流定電圧を印加して、その結果、第2の電極に発生する交流電流を測定することにより、前記2枚の電極間距離を求めるようにしたので、
静電容量の変位測定時に、浮遊容量による影響を最小限に抑えることができるような静電容量式変位センサーを提供することが可能となる。
According to the capacitive displacement sensor of the present invention,
Of the two electrode pairs that generate capacitance, an AC constant voltage is applied to the first electrode, and as a result, the AC current generated in the second electrode is measured, thereby the two electrodes Since the distance between the electrodes was calculated,
It is possible to provide a capacitance type displacement sensor that can minimize the influence of stray capacitance when measuring the displacement of the capacitance.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図2および図3は、本発明にかかる静電容量センサーの一実施例である。本実施例は、被測定体15に設けられた電極16に交流定電圧をかけ、検出電極11に発生する交流微小電流を検出し、電極11および電極16の間に発生する静電容量を計測することによって、検出電極11から被測定体15までの相対的な距離dを得るものである。以下に各構成要素の具体例を説明する。
2 and 3 show an embodiment of the capacitance sensor according to the present invention. In the present embodiment, an AC constant voltage is applied to the
11:検出電極。電極16から流れる微小電流を検出する電極である。絶縁スペーサー12で囲まれ、さらに検出電極ホルダー13で固定される。また、検出電極11は、同軸ケーブル14の内導体に接続され、発生した交流電流信号が、電流電圧変換器19へ伝送される。
11: Detection electrode. This is an electrode for detecting a minute current flowing from the
12:絶縁スペーサー。検出電極11と検出電極ホルダー13とが、電気的に接触しないように媒介する役割を担う。
12: Insulating spacer. The detection electrode 11 and the
13:検出電極ホルダー。検出電極11と絶縁スペーサー12を固定し、支持する導電性のホルダーである。また、外部ノイズ電界が検出電極11に伝達されないように、電気遮蔽する役割を兼ねる。このため、電位がアースと同電位になるように、同軸ケーブル14の外導体と電気的に接触させる必要がある。また、感度良く被測定体の相対位置変位を測定するために、検出電極11を電極18の近傍へアプローチする必要があり、このホルダーにアプローチ可能な粗動機構が備わっている必要がある。また、アプローチする際に、検出電極11と電極18が接触する可能性がある場合は、この接触を回避する目的で、できる限り検出電極11の電極面が検出電極ホルダー面より奥に収まるような設計にする必要がある。
13: Detection electrode holder. This is a conductive holder that fixes and supports the detection electrode 11 and the insulating
14:同軸ケーブル。検出電極11で発生した交流電流信号を電流電圧変換器19へ伝送する役割を担う。また、外部ノイズ電界が交流電流信号に入らないように電気遮蔽する役割、および内導体と同軸ケーブル18の内導体との間に浮遊容量が発生しないように外導体で遮蔽する役割を兼ねる。これらの役割を担えれば、一般のシールドケーブルでも支障はない。また、同軸ケーブルの特性インピーダンスはできる限り大きい方が好ましい。
14: Coaxial cable. It plays a role of transmitting an alternating current signal generated at the detection electrode 11 to the current-
15:被測定体。検出電極11によって、相対的な位置が計測される測定対象である。特別に、電気伝導性といった電気特性を限定しないが、表面に絶縁スペーサー17と電極16、および配線18が設置できるものに限られる。
15: Measurement object. It is a measurement object whose relative position is measured by the detection electrode 11. The electrical characteristics such as electrical conductivity are not particularly limited, but are limited to those in which the insulating spacer 17, the
16:電極。被測定体に蒸着もしくは貼り付けられた電極である。交流定電圧発生器22より、この電極とアースとの間に、交流定電圧がかけられる。被測定体15との間に絶縁スペーサー17を挟み、被測定体と電気的接触が断たれている。例えば、銅箔を長さ12mm×幅8mm×厚さ0.3mmに切り出し、電極表面を鏡面状にかつ平行に仕上げ、絶縁スペーサー17の上に接着剤で貼り付けることによって作製される。
16: Electrode. It is an electrode deposited or attached to the measurement object. The AC
17:絶縁スペーサー。被測定体15に装着された絶縁膜。被測定体15と電極16との電気的接触を断つ役割を担う。例えば、市販のマイラーテープを利用する。このとき、テープの接着面を被測定体15に接着させ、接着面と逆側の面にエポキシ系樹脂接着剤を薄く塗り、電極16を貼り付ける。
17: Insulating spacer. An insulating film attached to the
18:同軸ケーブル。交流定電圧発振器22から電極16へ交流電圧信号を伝送する役割を担う。また、外部ノイズ電界が交流電流信号に入らないように電気遮蔽する役割、および内導体と同軸ケーブル18の内導体との間に浮遊容量が発生しないように外導体で静電遮蔽する役割を兼ねる。これらの役割を担うことができれば、一般のシールドケーブルでも支障はない。内導体と電極18の接合は、接点でできる物理的な凹凸によって静電容量式センサーのアプローチ動作の妨げにならないように注意する。このために、電極18を広く確保し、電極18の縁で端子付けを行なう。外導体は、その電位をアースと同電位にすれば十分であり、必ずしも被測定体15に接触させる必要はない。
18: Coaxial cable. It plays a role of transmitting an AC voltage signal from the AC
19:電流電圧変換器。検出電極11より発生した交流電流信号を検出し、検出された電流値を電圧値に変換させる。変換された交流電圧信号は、バッファー増幅器20を経て、交流電圧の振幅値を出力する検波回路21に送られる。電流電圧変換器19の内部抵抗(入力インピーダンス)は、小さい値が求められる。また、微小電流の検出精度δIを確保するためには、入力バイアス電流値をδIに比べて十分大きく取る必要がある。
19: Current-voltage converter. An alternating current signal generated from the detection electrode 11 is detected, and the detected current value is converted into a voltage value. The converted AC voltage signal is sent through the
20:バッファー増幅器。微小入力電圧信号を、検波回路21で検波可能な電圧レベルまで増幅させる。
20: Buffer amplifier. The minute input voltage signal is amplified to a voltage level that can be detected by the
21:検波回路。入力された交流電圧に対し、その振幅値を出力する検波回路である。図2に示す検波回路21は、整流回路および平滑回路から成る検波回路を意味し、また、図3の破線枠21で示す回路の実施例では、交流定電圧発振器22の出力から分波された信号を参照波として位相検波を行なう位相検波回路24を意味する。後者においては、後段に高調波をカットするための低周波アンプ25を設けている。
21: Detection circuit. This is a detection circuit that outputs the amplitude value of the input AC voltage. The
22:交流定電圧発振器。交流定電圧信号を発振し、電極16へ送信させる。
22: AC constant voltage oscillator. An alternating constant voltage signal is oscillated and transmitted to the
23:記録計。直流電圧信号の電圧値を表示し、記録する。 23: Recorder. Display and record the voltage value of the DC voltage signal.
24:位相検波回路。入力された交流電圧に対し、その振幅値を出力する位相検波回路。交流定電圧発振器22の出力から分波された信号を参照波とする。
24: Phase detection circuit. A phase detection circuit that outputs the amplitude value of the input AC voltage. A signal demultiplexed from the output of the AC
25:低周波アンプ。位相検波回路の出力信号において、高周波をカットする。 25: Low frequency amplifier. A high frequency is cut in the output signal of the phase detection circuit.
図2において、点線の内側に配置された装置は、被測定体15と同じ測定環境、例えば、真空下、低温高温下、強磁場下などに置かれる。点線の外側に配置された装置は、特に被測定体15と同じ測定環境に置かれる必要はなく、同軸ケーブル14、18の長さを長くして、室温環境に設置しても構わない。
In FIG. 2, the device arranged inside the dotted line is placed in the same measurement environment as the
また、状況によっては、検出電極11を電極16にアプローチさせる際に、両者が接触する場合が考えられる。交流定電圧発振器22からの大電流が電流電圧変換器19に直接流れ込む可能性が考えられるので、別途、電流電圧変換器19の前段に過電流保護回路を必要とする。
Further, depending on the situation, when the detection electrode 11 is approached to the
また、図2の変形例として、静電容量センサー側に交流定電圧をかけ、電極16に発生した電流を読む手法も考えられる。
Further, as a modification of FIG. 2, a method of reading an electric current generated in the
さて、以上のような静電容量センサーは、以下のように動作する。 Now, the capacitance sensor as described above operates as follows.
1.予め、検出電極11を電極16の近傍にアプローチさせておく。アプローチには、検出電極ホルダー13に備わった粗動機構を用いる。また、アプローチ作業で電極同士が接触する可能性が考えられる場合には、交流定電圧発振器22の出力をOFFにしておく必要がある。さらにアプローチ後、交流定電圧発振器22の出力をONにする前に、同軸ケーブル14の外導体と電極16、また同軸ケーブル14の内導体と電極16との電気的接触確認作業を行ない、電極16と検出電極ホルダー13、また電極同士が物理的に接触していないことを確認する。
1. The detection electrode 11 is approached in the vicinity of the
2.交流定電圧発振器22の出力をONにし、電極16に交流定電圧をかける。出力される交流電圧の角振動数と振幅実効値を、それぞれωおよびV0とする。
2. The output of the AC
3.検出電極11に発生した微小交流電流の実効値Iを検出する。 3. The effective value I of the minute alternating current generated in the detection electrode 11 is detected.
4.以下の手順で、得られた実効電流値Iから被測定体の相対変位dを求める。電極11、16間に発生する静電容量をC0、電流電圧変換器19の内部抵抗をRIVとする。また、静電容量式センサー内で発生する浮遊容量、同軸ケーブル14および18内で発生する浮遊容量、電極16と被測定体15との間で発生する浮遊容量の総和をCsとする。このとき、電流電圧変換器19で検出される電流値Iは、次式(5)で与えられる。
4). The relative displacement d of the measured object is obtained from the obtained effective current value I by the following procedure. The capacitance generated between the
ここで、ωRIVCs《1が成立すれば、I=C0V0と近似され、電流値IはCsに依存しなくなる。よって、V0は既知であるので、電流値IからC0を導出することができる。つまり上式(5)より、Sおよびεが既知であれば、得られたC0から被測定体15の相対距離dが換算される。また、電極間距離dの変位δdに対するV1の変化量δV1は、次式(6)で与えられる。
Here, if ωR IV C s << 1 holds, it is approximated as I = C 0 V 0, and the current value I does not depend on C s . Therefore, since V 0 is known, C 0 can be derived from the current value I. That is, from the above equation (5), if S and ε are known, the relative distance d of the measured
検出値相対精度δI/Iのδd/dに対する比例係数は−1であり、浮遊容量Csには依存しない。
The proportional coefficient of the detected value relative accuracy δI / I with respect to δd / d is −1 and does not depend on the stray capacitance C s .
ωRIVCs《1なる条件について、標準的な実現例を上げる。浮遊容量で発生するインピーダンス1/ωCsは、ω=2π×1000Hz、Cs=100pFとして1.6MΩである。RIVが10Ω程度のものを選べば、ωRIVCs=6.3×10−6《1を満たすことが可能である。 A standard implementation example is given for the condition of ωR IV C s << 1. The impedance 1 / ωC s generated by the stray capacitance is 1.6 MΩ when ω = 2π × 1000 Hz and C s = 100 pF. If a material having an R IV of about 10Ω is selected, ωR IV C s = 6.3 × 10 −6 << 1 can be satisfied.
図4は、測定結果の一例である。検出電極11の直径は3.8φである。被測定体15は、ピエゾ駆動ステージとした。ステージに貼り付けられた電極16の面積は96mm2である。電流電圧変換器19の入力インピーダンスは、10Ωである。電流電圧変換器から得られた交流電圧の位相検波について、時定数を0.16sとした。交流定電圧発振器12の出力定電圧実効値は7.1Vrms、周波数は1103Hzとした。
FIG. 4 is an example of the measurement result. The diameter of the detection electrode 11 is 3.8φ. The
図4の横軸は、予め電極同士をおよそ50μmの間隔に近づけ、その走査距離Posを0μmとし、電極が離れる方向に被測定体を100μm走査した際の走査距離Posを示す。横軸の位置測定は、ステージに備えられた歪ゲージセンサーを用いた計測結果を示す。縦軸は、電流電圧変換器で受信した電流値を表わす。 The horizontal axis in FIG. 4 indicates the scanning distance P os when the electrodes are brought close to an interval of about 50 μm in advance, the scanning distance P os is 0 μm, and the measured object is scanned 100 μm in the direction in which the electrodes are separated. The horizontal axis position measurement indicates a measurement result using a strain gauge sensor provided on the stage. The vertical axis represents the current value received by the current-voltage converter.
位置測定精度は、Pos=0.0μm、50μm、100μmにおいて、δPos=0.008μm、0.05μm、0.11μm程度が得られた。 The position measurement accuracy was approximately δP os = 0.008 μm, 0.05 μm, and 0.11 μm at P os = 0.0 μm, 50 μm, and 100 μm.
図5と図6は、本発明にかかる3軸型静電容量式変位センサーの一実施例である。図5には、測定系に含まれる部位を示す。図5(a)は、被測定体36に共通検出電極37を貼り付け、その電極近傍に、互いに直交する3枚の電極31、31’、31”を設置した様子を示す。図5(b)は、図5(a)において、被測定体36のみを取り出した図を示す。また、被測定体36に貼り付けられた検出電極37の断面図を図5(e)に示す。図5(c)は、図5(a)の中で被測定体36を取り出した様子を示す。図5(a)では、電極面裏側を図示し、図5(c)では、電極面側を図示した。図5(d)は、電極の断面図を示す。また、図6は、主に静電容量測定に必要な構成要素をブロック図として示す。点線で囲まれた部位は、図5において記述された測定系に含まれる部位を示す。プライムは、静電容量式センサーおよび検出装置において、軸の異なることを区別する目的で付けたものであり、プライムの有無によって構造および機能の違いを示すものではない。以下に各構成要素の具体例を説明する。
5 and 6 show an embodiment of a three-axis capacitive displacement sensor according to the present invention. FIG. 5 shows parts included in the measurement system. 5A shows a state in which a
31:電極。3軸用電極は、互いに直交する3枚の電極から構成される。各電極は、絶縁スペーサー32を挟んで、電気伝導性ホルダー33に取り付けられている。これらの電極は、同軸ケーブル34の内導体と電気接触があり、それぞれ3つの交流定電圧発振器42から周波数の異なる交流電圧がかけられる。また、電極面は、共通電極37と電気的に接触しないように、電極面を電気伝導性ホルダー33や絶縁スペーサー32の面に対して、奥に収めるようにする。
31: Electrode. The triaxial electrode is composed of three electrodes orthogonal to each other. Each electrode is attached to an electrically
32:絶縁スペーサー。電極31と電極ホルダー33とが、電気的に接触しないように挟む。
32: Insulating spacer. The
33:電極ホルダー。電極31と絶縁スペーサー32を固定する。また、電位がアースと同電位になるように、同軸ケーブル34の外導体と電気的に接触させる。
33: Electrode holder. The
34:同軸ケーブル。電極31と交流定電圧発振器42とを、電気的に接続するための同軸ケーブル。同軸ケーブル34の外導体は、他の軸用の定電圧信号同士が混成しないように、また、同軸ケーブル39との間に静電容量が発生しないように設ける。外導体の電位は、交流定電圧発振器42のアースと共通にする。
34: Coaxial cable. A coaxial cable for electrically connecting the
35:アーム。3軸用電極を互いに垂直になるように設置する支持板。感度良く被測定体36の相対的位置変位を測定するために、電極31を共通検出電極37近傍にアプローチする必要があり、このアームには、アプローチ可能な粗動機構が備わっている必要がある。
35: Arm. A support plate on which triaxial electrodes are installed so as to be perpendicular to each other. In order to measure the relative position displacement of the measured
36:被測定体。相対的な位置が計測される測定対象。特別に、電気伝導性といった電気特性を限定しないが、表面に絶縁スペーサー32と電極37、および、配線39が設置できるものに限られる。さらに、互いに直交した3軸位置変位測定が可能なように、一部に互いに直交した3面が切り出された被測定体、もしくは、別途互いに直交した3面を持つ物体を装着することが可能な被測定体に限られる。
36: Measurement object. A measurement object whose relative position is measured. The electrical characteristics such as electrical conductivity are not particularly limited, but are limited to those in which the insulating
37:共通検出電極。3軸用電極31の各面と平行な面を有する電極。この電極と電極31との間に、各軸方向の距離に応じた静電容量が発生する。そして、電極31にかけた各軸周波数が異なる交流電圧によって、静電容量に比例した微小電流が発生する。発生した3種類の交流電流は、同じ同軸ケーブル39を経て、電流電圧変換器40に送られる。
37: Common detection electrode. An electrode having a surface parallel to each surface of the
38:絶縁スペーサー。共通検出電極37と被測定体36とが、電気的に接触しないように挟む。
38: Insulating spacer. The
39:同軸ケーブル。外部ノイズ電界が交流電流信号に混じらないように遮蔽し、かつ、内導体と同軸ケーブル34の内導体との間に浮遊容量が発生しないように外導体で遮蔽しながら、共通検出電極37で発生した微小交流電流信号を電流電圧変換器39に伝送する役割を担う。
39: Coaxial cable. Occurring at the
40:電流電圧変換器。共通検出電極37より発生した交流電流信号を検出し、検出された電流値を電圧値に変換する。変換された交流電圧信号は、バッファー増幅器41を通して、位相検波回路43で交流電圧の振幅値を出力する検波回路に送られる。電流電圧変換器40の内部抵抗(入力インピーダンス)をRIVとすると、小さなRIVを持つ機器を選ぶ必要がある。また、微小電流の検出精度δIを確保するためには、入力バイアス電流値をδIに比べて十分大きく取る必要がある。
40: Current-voltage converter. An alternating current signal generated from the
41:バッファー増幅器。微小入力電圧信号を位相検波回路43で検出可能な電圧レベルまで増幅する。
41: Buffer amplifier. The minute input voltage signal is amplified to a voltage level that can be detected by the
42:交流定電圧発振器。交流定電圧信号を発振し、電極41に送信する。 42: AC constant voltage oscillator. An AC constant voltage signal is oscillated and transmitted to the electrode 41.
43:位相検波回路。入力された交流電圧に対し、その振幅値を出力する位相検波回路。交流定電圧発振器42の出力から分波された信号を参照波とする。
43: Phase detection circuit. A phase detection circuit that outputs the amplitude value of the input AC voltage. A signal demultiplexed from the output of the AC
44:低周波アンプ。位相検波回路の出力信号において、高周波をカットする。 44: Low frequency amplifier. A high frequency is cut in the output signal of the phase detection circuit.
45:記録計。直流電圧信号の電圧値を表示し、記録する。 45: Recorder. Display and record the voltage value of the DC voltage signal.
また、図5の変形例として、アーム35側に共通検出電極を設け、被測定体36側に設けられた3軸用電極に交流定電圧を印加する手法も考えられる。
Further, as a modification of FIG. 5, a method in which a common detection electrode is provided on the
さて、以上のような3軸静電容量センサーは、以下のように動作する。 The three-axis capacitance sensor as described above operates as follows.
1.予め、3軸用電極31を共通検出電極37の近傍にアプローチさせておく。アプローチには、アーム35に備わった粗動機構を用いる。また、アプローチ作業で電極同士が接触する可能性が考えられる場合には、交流定電圧発振器42の出力をOFFにしておく必要がある。さらにアプローチ後、交流定電圧発振器42の出力をONにする前に、同軸ケーブル34の外導体と共通検出電極37、また同軸ケーブル34の内導体と共通検出電極37との電気的接触確認作業を行ない、共通検出電極37と検出電極ホルダー33、また共通検出電極37と3軸用電極31とが物理的に接触していないことを確認する。
1. The
2.交流定電圧発振器42の出力をONにし、3軸用電極31に交流定電圧をかける。出力される交流電圧の角振動数と振幅実効値を、それぞれωおよびV0とする。3軸用の交流信号について、各軸用に用いる周波数は、ω0、αω0、βω0(αとβは無理数)などのように、互いに混成し合わないようにする。
2. The output of the AC
3.共通検出電極37に発生した3軸の微小交流電流の実効値I、I’、I”を検出する。
3. The effective values I, I ′ , I ″ of the triaxial minute alternating current generated in the
4.以下の手順で、得られた実効電流値Iから被測定体の相対変位dを求める。また、I’やI”からd’やd”を求めることを同様に行なう。電極31、37間に発生する静電容量をC0、電流電圧変換器40の内部抵抗をRIVとする。また、静電容量式センサー内で発生する浮遊容量、同軸ケーブル34および39内で発生する浮遊容量、共通検出電極37と被測定体36との間で発生する浮遊容量の総和をCsとする。このとき、電流電圧変換器40で検出される電流値Iは、次式(7)で与えられる。
4). The relative displacement d of the measured object is obtained from the obtained effective current value I by the following procedure. Similarly, d ′ and d ″ are obtained from I ′ and I ″ . The capacitance generated between the
ここで、ωRIVCs《1が成立すれば、I=C0V0と近似され、電流値IはCsに依存しなくなる。よって、V0は既知であるので、電流値IからC0を導出することができる。つまり上式(7)より、Sおよびεが既知であれば、得られたC0から被測定体36の相対距離dが換算される。また、電極間距離dの変位δdに対するV1の変化量δV1は、次式(8)で与えられる。
Here, if ωR IV C s << 1 holds, it is approximated as I = C 0 V 0, and the current value I does not depend on C s . Therefore, since V 0 is known, C 0 can be derived from the current value I. That is, from the above equation (7), if S and ε are known, the relative distance d of the measured
検出値相対精度δI/Iのδd/dに対する比例係数は−1であり、浮遊容量Csには依存しない。
The proportional coefficient of the detected value relative accuracy δI / I with respect to δd / d is −1 and does not depend on the stray capacitance C s .
ωRIVCs《1なる条件について、標準的な実現例を上げる。浮遊容量で発生するインピーダンス1/ωCsは、ω=2π×1000Hz、Cs=100pFとして1.6MΩである。RIVが10Ω程度のものを選べば、ωRIVCs=6.3×10−6《1を満たすことが可能である。 A standard implementation example is given for the condition of ωR IV C s << 1. The impedance 1 / ωC s generated by the stray capacitance is 1.6 MΩ when ω = 2π × 1000 Hz and C s = 100 pF. If a material having an R IV of about 10Ω is selected, ωR IV C s = 6.3 × 10 −6 << 1 can be satisfied.
MRFM装置に広く利用できる。 Widely applicable to MRFM equipment.
1:検出電極、2:被測定体、3:電極ホルダー、4:参照用標準静電容量、5:配線、6:配線、8:交流定電圧発振器、9:交流電圧信号受信器、11:検出電極、12:絶縁スペーサー、13:検出電極ホルダー、14:同軸ケーブル、15:被測定体、16:電極、17:絶縁スペーサー、18:同軸ケーブル、19:電流電圧変換器、20:バッファー増幅器、21:検波回路、22:交流定電圧発振器、23:記録計、24:位相検波器、25:低周波アンプ、31:電極、32:絶縁スペーサー、33:電極ホルダー、34:同軸ケーブル、35:アーム、36:被測定体、37:共通検出電極、38:絶縁スペーサー、39:同軸ケーブル、40:電流電圧変換器、41:バッファー増幅器、42:交流定電圧発振器、43:位相検波器、44:低周波アンプ、45:記録計
1: detection electrode, 2: object to be measured, 3: electrode holder, 4: standard capacitance for reference, 5: wiring, 6: wiring, 8: AC constant voltage oscillator, 9: AC voltage signal receiver, 11: Detection electrode, 12: insulation spacer, 13: detection electrode holder, 14: coaxial cable, 15: measured object, 16: electrode, 17: insulation spacer, 18: coaxial cable, 19: current-voltage converter, 20: buffer amplifier , 21: detector circuit, 22: AC constant voltage oscillator, 23: recorder, 24: phase detector, 25: low frequency amplifier, 31: electrode, 32: insulating spacer, 33: electrode holder, 34: coaxial cable, 35 : Arm, 36: measurement object, 37: common detection electrode, 38: insulating spacer, 39: coaxial cable, 40: current-voltage converter, 41: buffer amplifier, 42: AC constant voltage oscillator, 43 Phase detector, 44: low-frequency amplifier, 45: recorder
Claims (4)
4. The capacitive displacement sensor according to claim 3, wherein the frequency of the AC constant voltage applied to each electrode pair is a different frequency.
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