JP2014041110A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定レンジを大きくとることができると共に、被測定対象物の対向する２つの面間の変位を複数方向で測定することができる静電容量式の変位センサを得る。
【解決手段】第１の基板２１と、第１の基板２１上のＸ軸方向にパターン生成されたＸ１センサ電極２２、Ｙ軸方向にパターン生成されたＹ１センサ電極２３、Ｘ１，Ｙ１センサ電極２２，２３夫々と重ならない位置に配置されたＺ１センサ電極２４を有する第１のセンサ部２と、第２の基板３１と、第２の基板３１上でＸ１センサ電極２２の配置方向と同方向のＸ軸方向にパターン生成されたＸ２センサ電極３２、Ｙ１センサ電極２３の配置方向と同方向のＹ軸方向にパターン生成されたＹ２センサ電極３３と、Ｘ２，Ｙ２センサ電極３２，３３夫々と重ならない位置で、かつＺ１センサ電極２４と対向する位置に配置されたＺ２センサ電極３４と、を有する第２のセンサ部３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、対向する２面を有する被測定対象物における２面間の位置ずれを検出する静電容量式の変位センサに関する。

変位センサの方式として、光学式、静電容量式、磁気式等が知られている。光学式の変位センサは、例えば特許文献１に記載されており、静電容量式の変位センサは、例えば特許文献２に記載されている。また、磁気式の変位センサは、例えば特許文献３に記載されている。

静電容量式の変位センサには、図１０に示すような２枚の電極を並行配置した並行平板型のものや、図１１に示すようなプローブ型のものがよく知られている。図１０に示す並行平板型では、対向配置された電極３００，３０１間の距離ｐの変化によって生ずる静電容量の変化に応じた信号が得られる。図１１に示すプローブ型では、測定対象物４００とプローブと呼ばれる電極（以下、プローブと呼ぶ）３０２との間の距離ｄの変化によって生ずる静電容量の変化に応じた信号が得られる。

プローブ型の静電容量式変位センサにおいては、図１２に示すように、測定対象物４００とプローブ３０２との間の距離ｄの変化によって生ずる静電容量の変化に応じた信号が増幅器５００で増幅されて信号Ｖとして出力される。
図１３は、電極間の距離（又は測定対象物とプローブとの間の距離）ｄと静電容量Ｃとの関係（同図（ａ））と、電極間の距離（又は測定対象物とプローブとの間の距離）ｄと増幅器５００の信号Ｖの出力との関係（同図（ｂ））を示す図である。

静電容量式の変位センサは、その形状が各種あっても、センサ電極の静電容量は以下の式（１）によって表現することができる。
Ｃ＝εＳ／ｄ…（１）
但し、Ｃ：静電容量
ε：誘電率
Ｓ：電極の面積
ｄ：電極間の距離、或いはプローブと測定対象物との間の距離

特開２００７−２３２５５６号公報 特開平１１−２３０７０４号公報 特開平０６−２４１７６５号公報

しかしながら、上述した静電容量式の変位センサは、分解能が優れているものの、他の原理のセンサに比べ、測定空間に制約がある場合は、測定レンジを大きくとることができない。すなわち、Ｃ＝εＳ／ｄの式から分かるように、測定レンジを大きくしようとすると電極の面積Ｓを大きくしなければならないからで、電極の面積を大きくすることで、センサそのものが大型化することになる。このようなことから、測定空間に制約がある場合には、測定レンジを大きくとることができない。

また、測定空間があった場合でも、１個の変位センサでは一方向の変位しか測定することができず、複数方向の変位を測定する場合には複数個のセンサを用意する必要があり、その分、コストが嵩んでしまう。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、測定レンジを大きくとることができるとともに、被測定対象物の対向する２つの面間の変位を複数方向で測定することができる静電容量式の変位センサを提供することを目的とする。

本発明の変位センサは、対向する２つの面を有する被測定対象物の前記２面間の変位を検出する変位センサであって、第１の基板と、前記第１の基板上のＸ軸方向に配置されたＸ１センサ電極と、前記第１の基板上のＹ軸方向に配置されたＹ１センサ電極と、前記第１の基板上で、前記Ｘ１センサ電極及び前記Ｙ１センサ電極それぞれと重ならない位置に配置されたＺ１センサ電極と、を有する第１のセンサ部と、第２の基板と、前記第２の基板上で、前記Ｘ１センサ電極の配置方向と同方向のＸ軸方向に配置されたＸ２センサ電極と、前記第２の基板上で、前記Ｙ１センサ電極の配置方向と同方向のＹ軸方向に配置されたＹ２センサ電極と、前記第２の基板上で、前記Ｘ２センサ電極及び前記Ｙ２センサ電極それぞれと重ならない位置で、かつ前記Ｚ１センサ電極と対向する位置に配置されたＺ２センサ電極と、を有する第２のセンサ部と、を備える。

上記構成によれば、対向する２つの面を有する被測定対象物の一方の面に第１のセンサ部を配置し、他方の面に第２のセンサ部を配置することで、第１のセンサ部のＸ１センサ電極と第２のセンサ部のＸ２センサ電極とにより、被測定対象物におけるＸ軸方向の変位を検出できる。また、第１のセンサ部のＹ１センサ電極と第２のセンサ部のＹ２センサ電極とにより、被測定対象物におけるＹ軸方向の変位を検出できる。さらに、第１のセンサ部のＺ１センサ電極と第２のセンサ部のＺ２センサ電極とにより、被測定対象物における対向する２つの面間の方向であるＺ軸方向の変位を検出できる。このように、１個の変位センサで、被測定対象物の２面間の変位を複数方向で検出することができる。

上記構成において、前記Ｘ１センサ電極と前記Ｘ２センサ電極の配置方向の幅が異なるとともに、前記Ｙ１センサ電極と前記Ｙ２センサ電極の配置方向の幅が異なる。

上記構成によれば、第１のセンサ部又は第２のセンサ部がＸ軸方向にずれた場合、そのずれ方向によって、Ｘ１，Ｘ２センサ電極より得られるセンサ出力の変化する方向が変わり、＋Ｘ軸方向のずれと、−Ｘ軸方向のずれを知ることができる。また、第１のセンサ部又は第２のセンサ部がＹ軸方向にずれた場合、そのずれ方向によって、Ｙ１，Ｙ２センサ電極より得られるセンサ出力の変化する方向が変わり、＋Ｙ軸方向のずれと、−Ｙ軸方向のずれを知ることができる。

上記構成において、前記Ｘ１センサ電極、前記Ｙ１センサ電極、前記Ｘ２センサ電極及び前記Ｙ２センサ電極それぞれの形状が櫛形である。

上記構成によれば、Ｘ１センサ電極とＸ２センサ電極の形状を櫛形にしたことで、Ｘ１センサ電極とＸ２センサ電極の間のずれによるセンサ電極面積の変化を大きくとることができる。即ち、ずれた分に対応するＸ１センサ電極とＸ２センサ電極の間の静電容量を大きくとることができる。言い換えれば、感度を高めることができる。同様に、Ｙ１センサ電極とＹ２センサ電極の形状を櫛形にしたことで、Ｙ１センサ電極とＹ２センサ電極の間のずれによるセンサ電極面積の変化を大きくとることができる。

上記構成において、前記Ｘ１センサ電極及び前記Ｘ２センサ電極のうちのいずれか一方の櫛歯が、他方の櫛歯の一方の側辺側に位置し、前記他方の櫛歯よりも短寸で、かつ側辺が櫛歯の根元に接続されており、前記Ｙ１センサ電極及び前記Ｙ２センサ電極のうちのいずれか一方の櫛歯が、他方の櫛歯の一方の側辺側に位置し、前記他方の櫛歯よりも短寸で、かつ側辺が櫛歯の根元に接続されている。

上記構成によれば、Ｘ１センサ電極及びＸ２センサ電極においては、Ｙ軸方向のずれの影響を受けなくすることができ、Ｙ１センサ電極及びＹ２センサ電極においては、Ｘ軸方向のずれの影響を受けなくすることができるので、Ｘ軸方向のずれとＹ軸方向のずれを高精度で検出することができる。

上記構成において、前記Ｚ１センサ電極の大きさと前記Ｚ２センサ電極の大きさが異なる。

上記構成によれば、Ｚ１センサ電極とＺ２センサ電極の大きさを違えることで、Ｚ軸方向のずれがＸ軸方向とＹ軸方向のずれに影響されないようにできる。つまり、Ｚ１センサ電極とＺ２センサ電極の大きさを同じにすると、Ｘ軸方向又はＹ軸方向のずれが生じた場合に、Ｚ１センサ電極とＺ２センサ電極の重なる部分が変化し、Ｚ１，Ｚ２センサ電極間の静電容量が変化してしまうが、Ｚ１センサ電極とＺ２センサ電極の大きさを違えると、Ｘ軸方向又はＹ軸方向のずれが生じても、センサ電極の大きさを違えた範囲内であれば、Ｘ軸方向又はＹ軸方向のずれ量を吸収することができ、Ｚ１，Ｚ２センサ電極間の静電容量が変化することがない。

上記構成において、前記第１の基板及び前記第２の基板は、それぞれ、ガラス繊維強化プラスチックからなる。

上記構成によれば、被測定対象物から圧力が加わっても変形することがなく、高精度なずれ検出が可能となる。

上記構成において、前記第１の基板及び前記第２の基板は、それぞれ、少なくとも２枚の基板からなる多層基板である。

上記構成によれば、多層基板構造とすることで、変形や歪みに強くでき、精度向上が図れる。

上記構成において、前記Ｘ１センサ電極と前記Ｘ２センサ電極の間の静電容量を検出する第１の静電容量検出器と、前記Ｙ１センサ電極と前記Ｙ２センサ電極の間の静電容量を検出する第２の静電容量検出器と、前記Ｚ１センサ電極と前記Ｚ２センサ電極の間の静電容量を検出する第３の静電容量検出器と、を備える。

上記構成において、前記第１の静電容量検出器、前記第２の静電容量検出器及び前記第３の静電容量検出器それぞれの静電容量検出値を無線信号に変換して送信する送信回路を備える。

上記構成において、前記第１の静電容量検出器、前記第２の静電容量検出器、前記第３の静電容量検出器及び前記送信回路それぞれに電源を供給する電源回路を備える。

上記構成において、前記電源回路は、電池を有する。

本発明は、測定レンジを大きくとることができるとともに、被測定対象物の対向する２つの面間の変位を複数方向で測定することができる。

本発明の実施の形態１に係る変位センサの概略構成を示す図 図１の変位センサの被測定対象物に対する取り付け例を示す断面図 被測定対象物の対向する２面がＸ軸方向にずれたときのＸ１センサ電極とＸ２センサ電極のずれの一例を示す図 図１の変位センサの第１のセンサ部と第２のセンサ部の間の電気的接続を行う接続部材を示す図 図１の変位センサの被測定対象物に対する他の取り付け例を示す断面図 本発明の実施の形態２に係る変位センサのＸ１，Ｘ２センサ電極の一部分を拡大した図 図６の変位センサのＸ１，Ｘ２センサ電極間で得られるセンサ出力を示す図 本発明の実施の形態３に係る変位センサのＸ１，Ｘ２センサ電極の一部分を拡大した図 本発明の実施の形態４に係る変位センサの概略構成を示すブロック図 ２枚の電極を並行配置した並行平板型の静電容量式の変位センサの概略構成を示す図 プローブ型の静電容量式の変位センサの概略構成を示す図 プローブ型の静電容量式の変位センサを用いた変位センサ装置の概略構成を示す図 電極間の距離と静電容量との関係と、電極間の距離と増幅器の信号の出力との関係を示す図

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る変位センサの概略構成を示す図である。同図において、本実施の形態に係る変位センサ１は、板状体の第１のセンサ部２及び第２のセンサ部３を備える静電容量式の変位センサである。同図の（ａ）は第１のセンサ部２の正面視図、同図の（ｂ）は第２のセンサ部３の背面視図である。

第１のセンサ部２は、第１の基板２１と、第１の基板２１の一方の面上のＸ軸方向にパターン生成されたＸ１センサ電極２２と、第１の基板２１の一方の面上のＹ軸方向にパターン生成されたＹ１センサ電極２３と、第１の基板２１の一方の面上で、Ｘ１センサ電極２２及びＹ１センサ電極２３それぞれと重ならない位置にパターン生成されたＺ１センサ電極２４と、を有する。

第２のセンサ部３は、第２の基板３１と、第２の基板３１の一方の面上で、Ｘ１センサ電極２２の配置方向と同方向のＸ軸方向にパターン生成されたＸ２センサ電極３２と、第２の基板３１の一方の面上で、Ｙ１センサ電極２３の配置方向と同方向のＹ軸方向にパターン生成されたＹ２センサ電極３３と、第２の基板３１の一方の面上で、Ｘ２センサ電極３２及びＹ２センサ電極３３それぞれと重ならない位置にパターン生成されたＺ２センサ電極３４と、を有する。

第１のセンサ部２のＸ１センサ電極２２及びＹ１センサ電極２３は、それぞれ櫛形に形成され、互いに直角となる向きで配置される。第２のセンサ部２のＸ２センサ電極３２及びＹ２センサ電極３３のそれぞれも櫛形に形成され、互いに直角となる方向に配置される。第１のセンサ部２のＸ１センサ電極２２の向きと第２のセンサ部３のＸ２センサ電極３２の向きが逆（１８０度）になっている。同様に、第１のセンサ部２のＹ１センサ電極２３の向きと第２のセンサ部３のＹ２センサ電極３３の向きも逆（１８０度）になっている。Ｚ１センサ電極２４及びＺ２センサ電極３４は、それぞれ四角形状で、第１のセンサ部２と第２のセンサ部３を対向配置したときに重なる位置に形成される。Ｚ２センサ電極３４は、Ｚ１センサ電極２４より小さく形成される。

Ｘ１センサ電極２２及びＸ２センサ電極３２それぞれの形状を櫛形にしたことで、Ｘ１センサ電極２２とＸ２センサ電極３２の間のずれによるセンサ電極面積の変化を大きくとることができる。即ち、ずれた分に対応するＸ１，Ｘ２センサ電極２２，２３間の静電容量を大きくとることができる。即ち、僅かなずれでも大きな静電容量が得られるので、高感度化が図れる。Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３においても、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，２３と同様に、それぞれの形状を櫛形とすることで、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３間のずれによるセンサ電極面積の変化を大きくとることができる。即ち、僅かなずれでも大きな静電容量が得られるので、高感度化が図れる。

また、Ｚ１センサ電極２４とＺ２センサ電極３４の大きさを違えたことで、Ｚ軸方向のずれがＸ軸方向とＹ軸方向のずれに影響されないようにすることができる。つまり、Ｚ１センサ電極２４とＺ２センサ電極３４の大きさを同じにすると、Ｘ軸方向又はＹ軸方向のずれが生じた場合に、Ｚ１センサ電極２４とＺ２センサ電極３４の重なる部分が変化して、Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４間の静電容量が変化してしまうが、Ｚ１センサ電極２４とＺ２センサ電極３４の大きさを違えると、Ｘ軸方向とＹ軸方向のずれが生じても、大きさを違えた範囲内であればずれを吸収することができるので、Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４間の静電容量が変化することがない。したがって、Ｚ軸方向のずれがＸ軸方向とＹ軸方向のずれに影響されることがなく、Ｚ軸方向のずれを高精度で検出することができる。

第１の基板２１と第２の基板３１には、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＦＦ）等の硬質な基板材料が用いられる。基板材料に硬質のものを使用することで、被測定対象物から圧力が加わっても変形することがなく、高精度なずれ検出が可能となる。特に、多層基板（具体的には６層〜８層の多層基板）構造とすることで、変形や歪みにいっそう強くなり、さらなる精度向上が図れる。

図２は、変位センサ１の被測定対象物１００に対する取り付け例を示す断面図である。同図に示すように、被測定対象物１００の対向する２面１０１，１０２の一方の面１０１に第１のセンサ部２が取り付けられ、他方の面１０２に第２のセンサ部３が取り付けられる。この場合、第１のセンサ部２と第２のセンサ部３が対向するように配置する。

図３は、被測定対象物１００の対向する２面がＸ軸方向にずれたときのＸ１センサ電極２２とＸ２センサ電極３２の変位のずれの一例を示す図である。同図において、被測定対象物１００の対向する２面がＸ軸方向にずれると、Ｘ１センサ電極２２とＸ２センサ電極３２の重なりあった部分７の面積が小さくなり、Ｘ１センサ電極２２とＸ２センサ電極３２の間の静電容量が小さくなる。このときの静電容量からＸ軸方向のずれを検出することができる。

Ｙ軸方向のずれにおいても同様に、被測定対象物１００の対向する２面がＹ軸方向にずれると、Ｙ１センサ電極２３とＹ２センサ電極３３の重なりあった部分の面積が小さくなり、Ｙ１センサ電極２３とＹ２センサ電極３３の間の静電容量が小さくなる。このときの静電容量からＹ軸方向のずれを検出することができる。

ところで、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間の静電容量の変化と、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３間の静電容量の変化は、Ｘ１センサ電極２２とＸ２センサ電極３２の重なり合う面積の変化と、Ｙ１センサ電極２３とＹ２センサ電極３３の重なり合う面積の変化のみならず、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，３２の間隔（Ｚ軸方向の距離）の変化と、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３の間隔（Ｚ軸方向の距離）の変化によっても生ずる。

ここで、Ｚ軸方向のずれは、以下の式（２），（３）より導出できる。
Ｃｚ＝εＳｚ／ｄ）…（２）
ｄ＝εＡｚ／Ｃｚ…（３）
Ｃｚ：Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４間の静電容量
ε：誘電率
Ａｚ：Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４それぞれの面積（変化しない）
ｄ：電極間の距離（Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４間の距離）

また、Ｘ軸方向のずれを計るＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２の間の静電容量Ｃｘは、以下の式（４）より導出できる。
Ｃｘ＝εＡｘ／ｄ…（４）

また、Ｘ軸方向のずれを計るＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２の位置Ｗｘは、以下の式（５），（６）より導出できる。
Ｃｘ＝εＡｘ／ｄ＝ε・Ｌｘ・Ｗｘ／ｄ＝ε・Ｌｘ・Ｗｘ・Ｃｚ／εＡｚ…（５）
故に、
Ｗｘ＝Ｃｘ・Ａｚ／（Ｃｚ・Ｌｘ）＝（Ｃｘ／Ｃｚ）・Ｋ１・Ｋ２…（６）
Ｋ１，Ｋ２は比例係数
Ｋ１＝１／（ε・Ｌｘ）
Ｋ２＝ε・Ａｚ

したがって、例えば、第１のセンサ部２が第２のセンサ部３に対してＸ軸方向にＷｘ０からＷｘ１に移動したとき、第１のセンサ部２の変位△Ｗｘは、以下の式（７）より導出できる。
△Ｗｘ＝Ｗｘ１−Ｗｘ２＝Ｋ１・Ｋ２・（Ｃｘ１／Ｃｚ１−Ｃｘ２／Ｃｚ２）…（７）
Ｗｘ０：第１のセンサ部２の最初の位置
Ｗｘ１：第１のセンサ部２の新しい位置
Ｃｘ０：最初の位置でのＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間の静電容量
Ｃｘ１：新しい位置でのＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間の静電容量

このように、第１のセンサ部２の変位△Ｗｘは、Ｚ軸方向のずれを考慮した形で求めることができる。なお、第１のセンサ部２の変位△Ｗｙも同様にしてＺ軸方向のずれを考慮した形で求めることができる。

而して、被測定対象物１００の対向する２面１０１，１０２の一方に第１のセンサ部２を、他方に第２のセンサ部３をそれぞれ取り付けることで、被測定対象物１００の対向する２面間のずれを検出することができる。そして、このとき、被測定対象物１００の対向する２面のずれの方向がＸ軸方向であれば、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間の静電容量が変化し、Ｙ軸方向であれば、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３間の静電容量が変化する。また、被測定対象物１００の対向する２面間のずれの方向がＸ軸方向とＹ軸方向の各成分を含む場合、Ｘ１センサ電極２２とＸ２センサ電極３２間の静電容量が変化するとともに、Ｙ１センサ電極２３とＹ２センサ電極３３間の静電容量も変化する。また、被測定対象物１００の対向する２面のずれの方向がＺ軸方向であれば、Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４間の静電容量が変化する。

なお、第１のセンサ部２の第１の基板２１には、Ｘ１センサ電極２２、Ｙ１センサ電極２３及びＺ１センサ電極２４のそれぞれと接続する配線パターン（図示略）が生成されている。第２のセンサ部３にも同様に、第２の基板３１には、Ｘ２センサ電極３２、Ｙ２センサ電極３３及びＺ２センサ電極３４のそれぞれと接続する配線パターン（図示略）が生成されている。そして、第１のセンサ部２と第２のセンサ部３の間の電気的接続は、例えば図４に示すような接続部材３９で行われる。接続部材３９は、先端部分３９ａが上方へ突出するようにバネ等の弾性部材（図示略）で付勢されており、第１のセンサ部２と第２のセンサ部３の電気的接続を確実にしている。

このように、本実施の形態に係る変位センサ１によれば、第１の基板２１と、第１の基板２１上のＸ軸方向にパターン生成されたＸ１センサ電極２２と、第１の基板２１上のＹ軸方向にパターン生成されたＹ１センサ電極２３と、第１の基板２１上で、Ｘ１センサ電極２２及びＹ１センサ電極２３それぞれと重ならない位置に配置されたＺ１センサ電極２４と、を有する第１のセンサ部２と、第２の基板３１と、第２の基板３１上で、Ｘ１センサ電極２２の配置方向と同方向のＸ軸方向にパターン生成されたＸ２センサ電極３２と、第２の基板３１上で、Ｙ１センサ電極２３の配置方向と同方向のＹ軸方向にパターン生成されたＹ２センサ電極３３と、第２の基板３１上で、Ｘ２センサ電極３２及びＹ２センサ電極３３それぞれと重ならない位置で、かつＺ１センサ電極２４と対向する位置に配置されたＺ２センサ電極３４と、を有する第２のセンサ部３と、を備えたので、第１のセンサ部２を、被測定対象物１００の一方の面１０１に配置し、第２のセンサ部３を、被測定対象物１００の他方の面１０２に配置することで、１つの変位センサ１で、被測定対象物１００の２面１０１，１０２間の変位を複数方向で検出することができる。

また、本実施の形態に係る変位センサ１によれば、Ｘ１センサ電極２２、Ｙ１センサ電極２３、Ｘ２センサ電極３２及びＹ２センサ電極３３それぞれの形状を櫛形としたので、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，３２においては、これらの電極間のずれによるセンサ電極面積の変化を大きくとることができ、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３においては、これらの電極間のずれによるセンサ電極面積の変化を大きくとることができる。即ち、ずれた分に対応するＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間の静電容量及びＹ１，Ｙ２センサ電極２３，３３間の静電容量のそれぞれを大きくとることができ、高感度化が図れる。

また、本実施の形態に係る変位センサ１によれば、Ｚ１センサ電極２４とＺ２センサ電極３４の大きさを違えるようにしたので、Ｚ軸方向のずれがＸ軸方向とＹ軸方向のずれに影響されないようにすることができ、Ｚ軸方向のずれを高精度で検出することができる。

なお、本実施の形態に係る変位センサ１では、第１，第２のセンサ部２，３のＸ，Ｙの各センサ電極２２，２３，３２，３３の形状を櫛形にしたが、この形状に限定されるものではなく、様々な形状を採ることができる。

また、本実施の形態に係る変位センサ１では、第１，第２のセンサ部２，３を被測定対象物１００の２面１０１，１０２上に設けたが、被測定対象物１００の２面の一方の面１０１に第１のセンサ部２が嵌合する第１の溝を形成し、被測定対象物１００の２面の他方の面１０２に第２のセンサ部３が嵌合する第２の溝を形成し、第１の溝に第１のセンサ部２を収容し、第２の溝に第２のセンサ部３を収容するようにしても良い。図５は、そのような場合の取り付け例を示す断面図である。このように取り付けることで、被測定対象物１００の測定空間が殆ど無いか、あるいは全く無い場合でも２面１０１，１０２間のずれを検出することが可能となる。

また、本実施の形態に係る変位センサ１では、Ｘ１センサ電極２２とＹ１センサ電極２３を第１の基板２１を基準として配置方向を決めたが、そのようにしなくても良く、予め決めた方向に配置するようにしても良い。この場合、Ｘ２センサ電極３２とＹ２センサ電極３３においては、Ｘ１センサ電極２２とＹ１センサ電極２３に従って配置することになる。即ち、Ｘ２センサ電極３２においては、Ｘ１センサ電極２２の新たな配置方向に対して１８０度反対向きに配置し、Ｙセンサ電極３３においては、Ｙ１センサ電極２３の新たな配置方向に対して１８０度反対向きに配置する。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る変位センサは、前述した実施の形態１に係る変位センサ１と同様の構成を採るが、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯の幅とＸ２センサ電極３２の櫛歯の幅を違えるとともに、Ｙ１センサ電極２３の櫛歯の幅とＹ２センサ電極３３の櫛歯の幅を違えている。Ｘ１センサ電極２２の櫛歯の幅とＸ２センサ電極３２の櫛歯の幅を違えることで、Ｘ軸方向におけるずれの方向を検出可能となる。同様に、Ｙ１センサ電極２３の櫛歯の幅とＹ２センサ電極３３の櫛歯の幅を違えることで、Ｙ軸方向におけるずれの方向を検出可能となる。なお、本実施の形態に係る変位センサには、符号１Ａを付与することとする。

Ｘ軸方向のＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２を例に挙げて説明する。
図６は、本実施の形態に係る変位センサ１ＡのＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２の一部分を拡大した図である。また、図７は、本実施の形態に係る変位センサ１ＡのＸ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間で得られるセンサ出力を示す図である。図６において、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１の幅をＷ１とし、Ｘ２センサ電極３２の櫛歯３２１の幅をＷ２とし、Ｘ２センサ電極３２の櫛歯間の長さをＷ３とする。このときのＷ１〜Ｗ３の大小関係をＷ１＜Ｗ２＜Ｗ３−Ｗ２とする。Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１の幅Ｗ１とＸ２センサ電極３２の櫛歯３２１の幅Ｗ２を違えることにより、図６に示すように、Ｘ１センサ電極２２が矢印４０の方向（図面に向かって右方向）ずれて行くと、センサ出力は、図７に示すように変化し、先端平坦部が短い台形状の波形となる。

即ち、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１がＸ２センサ電極３２の櫛歯３２１と完全に重なるまでは、センサ出力は徐々に増加する。そして、櫛歯２２１と櫛歯３２１が完全に重なると、センサ出力は一定となる。その後は、重なりが少なくなって行っていくので、櫛歯２２１と櫛歯３２１が完全に重ならなくなるまでの間、センサ出力が徐々に減少して行く。そして、櫛歯２２１と櫛歯３２１が重ならなくなったときから、櫛歯２２１が次の櫛歯（右隣の櫛歯）３２１と重なるまでの間、センサ出力はゼロの状態を続ける。ここで、矢印４０（図６参照）の方向を＋Ｘ軸方向、その逆を−Ｘ軸方向とすると、センサ出力波形を観測することで、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１の＋Ｘ軸方向のずれと、−Ｘ軸方向のずれを検出することができる。

Ｙ軸方向のＹ１，Ｙ２センサ電極２３，３３においても同様の結果が得られ、Ｙ１センサ電極２３又はＹ２センサ電極３３のずれ方向によって、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３より得られるセンサ出力の変化する方向が変わり、＋Ｙ軸方向のずれと、−Ｙ軸方向のずれを検出することができる。

なお、感度を高めるには（即ち、僅かなずれで大きな静電容量の変化を得るには）、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１の幅Ｗ１を大きくすれば良い。但し、静電容量の大きさはある範囲内になければならないので、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１の幅Ｗ１を大きくした場合は、その分、Ｘ１センサ電極２２の櫛歯２２１とＸ２センサ電極３２の櫛歯３２１とのＺ軸方向で重なる部分の長さｈを短くする必要がある。

このように、本実施の形態に係る変位センサ１Ａによれば、第１のセンサ部２のＸ１センサ電極２２の配置方向の幅と第２のセンサ部３のＸ２センサ電極３２の配置方向の幅を違えるとともに、第１のセンサ部２のＹ１センサ電極２３の配置方向の幅と第２のセンサ部３のＹ２センサ電極３３の配置方向の幅を違えるようにしたので、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，２３より得られるセンサ出力から、＋Ｘ軸方向のずれと、−Ｘ軸方向のずれを知ることができ、またＹ１，Ｙ２センサ電極２３，３３より得られるセンサ出力から、＋Ｙ軸方向のずれと、−Ｙ軸方向のずれを知ることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る変位センサは、前述した実施の形態１に係る変位センサ１と同様の構成を採るが、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，２３のＹ軸方向のずれの影響を受けなくするとともに、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３のＸ軸方向のずれの影響を受けなくするようにして、検出精度を向上させたものである。なお、本実施の形態に係る変位センサには、符号１Ｂを付与することとする。

本実施の形態に係る変位センサ１Ｂでは、センサ電極の形状に特徴を持たせることで、検出精度の向上を図っている。
Ｘ軸方向を例に挙げて説明する。図８は、本実施の形態に係る変位センサ１ＢのＸ１，Ｘ２センサ電極２２Ａ，３２の一部分を拡大した図である。同図に示すように、Ｘ１センサ電極２２Ａは、櫛歯２２１Ａが、Ｘ２センサ電極３２の櫛歯３２１の一方の側辺側（図面に向かって左側）に位置し、Ｘ２センサ電極３２の櫛歯３２１よりも短寸で、かつ側辺２２１ＡＳから櫛歯２２１Ａの根元２２２に接続されている。Ｘ１センサ電極２２Ａの櫛歯２２１ＡをＸ２センサ電極３２の櫛歯３２１より短寸とし、側辺２２１ＡＳから櫛歯２２１Ａの根元２２２に接続することで、Ｘ１センサ電極２２ＡがＹ軸方向にずれても、櫛歯２２１Ａの上端とＸ２センサ電極３２の櫛歯３２１の根元３２２との間のクリアランスＣ１と、櫛歯２２１Ａの下端とＸ２センサ電極３２の櫛歯３２１の先端との間のクリアランスＣ２があるので、これらのクリアランスＣ１，Ｃ２の範囲内でＸ１センサ電極２２ＡのＹ軸方向のずれを吸収することができる。これにより、Ｘ１センサ電極２２ＡのＹ軸方向のずれの影響を受けなくすることができ、検出精度の向上が図れる。

Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３においても同様に、例えばＹ１センサ電極２３の形状をＸ１センサ電極２２Ａと同様にすることで、同じ効果を得ることができる。なお、図示しないが、Ｘ１センサ電極２２Ａと同様の形状にしたＹ１センサ電極を示す符号に２３Ａを使用する。

このように、本実施の形態に係る変位センサ１Ｂによれば、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２Ａ，３２においては、Ｙ軸方向のずれの影響を受けなくすることができ、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３Ａ，３３においては、Ｘ軸方向のずれの影響を受けなくすることができるので、Ｘ軸方向のずれとＹ軸方向のずれを高精度で検出することができる。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４に係る変位センサの概略構成を示すブロック図である。同図において、本実施の形態に係る変位センサ１Ｃは、実施の形態１の変位センサ１に、３つの静電容量検出器２５０〜２５２、送信回路２５３及び電源回路２５４を設けたものである。なお、静電容量検出器２５０〜２５２、送信回路２５３及び電源回路２５４は、第１のセンサ部２及び第２のセンサ部３のいずれか一方の基板に実装される。

静電容量検出器（第１の静電容量検出器）２５０は、Ｘ１，Ｘ２センサ電極２２，３２間の静電容量を検出し、その値をディジタル変換して送信回路２５３に出力する。静電容量検出器（第２の静電容量検出器）２５１は、Ｙ１，Ｙ２センサ電極２３，３３間の静電容量を検出し、その値をディジタル変換して送信回路２５３に出力する。静電容量検出器（第３の静電容量検出器）２５２は、Ｚ１，Ｚ２センサ電極２４，３４間の静電容量を検出し、その値をディジタル変換して送信回路２５３に出力する。送信回路２５３は、静電容量検出器２５０〜２５２のそれぞれから出力された静電容量検出値を無線周波数に変換して送信する。この送信に用いる通信方法としては、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）やブルートゥース等の近距離無線通信が好適である。電源回路２５４は、一次電池又は二次電池を有し、静電容量検出器２５０〜２５２と送信回路２５３に動作用の電源を供給する。

このように、本実施の形態に係る変位センサ１Ｃによれば、実施の形態１の変位センサ１に、３つの静電容量検出器２５０〜２５２、送信回路２５３及び電源回路２５４を設けた構成としたので、被測定対象物１００から離れた場所で、被測定対象物１００の２面１０１，１０２間のずれを検出することができる。

なお、本実施の形態に係る変位センサ１Ｃは、実施の形態１の変位センサ１を利用したものであったが、実施の形態２の変位センサ１Ａ又は実施の形態３の変位センサ１Ｂを利用しても良いことは述べるまでもない。

また、本実施の形態に係る変位センサ１Ｃでは、電源回路２５４に一次電池又は二次電池を持たせたが、この一次又は二次の電池による電源を外部より取得するようにしても良い。即ち、内部電源と外部電源のどちらを採用しても構わない。

本発明は、測定レンジを大きくとることができるとともに、被測定対象物の対向する２つの面間の変位を複数方向で測定することができるといった効果を有し、静電容量式の変位センサとして使用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 変位センサ
２ 第１のセンサ部
３ 第２のセンサ部
２１ 第１の基板
３１ 第２の基板
２２，２２Ａ Ｘ１センサ電極
２３ Ｙ１センサ電極
２４ Ｚ１センサ電極
３２ Ｘ２センサ電極
３３ Ｙ２センサ電極
３４ Ｚ２センサ電極
３９ 接続部材
１００ 被測定対象物
２２１，２２１Ａ，３２１ 櫛歯
２２１ＡＳ 側辺
２２２，３２２ 櫛歯の根元
２５０，２５１，２５２ 静電容量検出器
２５３ 送信回路
２５４ 電源回路

Claims (11)

1. 対向する２つの面を有する被測定対象物の前記２面間の変位を検出する変位センサであって、
   第１の基板と、前記第１の基板上のＸ軸方向に配置されたＸ１センサ電極と、前記第１の基板上のＹ軸方向に配置されたＹ１センサ電極と、前記第１の基板上で、前記Ｘ１センサ電極及び前記Ｙ１センサ電極それぞれと重ならない位置に配置されたＺ１センサ電極と、を有する第１のセンサ部と、
   第２の基板と、前記第２の基板上で、前記Ｘ１センサ電極の配置方向と同方向のＸ軸方向に配置されたＸ２センサ電極と、前記第２の基板上で、前記Ｙ１センサ電極の配置方向と同方向のＹ軸方向に配置されたＹ２センサ電極と、前記第２の基板上で、前記Ｘ２センサ電極及び前記Ｙ２センサ電極それぞれと重ならない位置で、かつ前記Ｚ１センサ電極と対向する位置に配置されたＺ２センサ電極と、を有する第２のセンサ部と、
   を備える変位センサ。
2. 前記Ｘ１センサ電極と前記Ｘ２センサ電極の配置方向の幅が異なるとともに、前記Ｙ１センサ電極と前記Ｙ２センサ電極の配置方向の幅が異なる請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記Ｘ１センサ電極、前記Ｙ１センサ電極、前記Ｘ２センサ電極及び前記Ｙ２センサ電極それぞれの形状が櫛形である請求項１又は請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記Ｘ１センサ電極及び前記Ｘ２センサ電極のうちのいずれか一方の櫛歯が、他方の櫛歯の一方の側辺側に位置し、前記他方の櫛歯よりも短寸で、かつ側辺が櫛歯の根元に接続されており、
   前記Ｙ１センサ電極及び前記Ｙ２センサ電極のうちのいずれか一方の櫛歯が、他方の櫛歯の一方の側辺側に位置し、前記他方の櫛歯よりも短寸で、かつ側辺が櫛歯の根元に接続されている請求項３に記載の変位センサ。
5. 前記Ｚ１センサ電極の大きさと前記Ｚ２センサ電極の大きさが異なる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の変位センサ。
6. 前記第１の基板及び前記第２の基板は、それぞれ、ガラス繊維強化プラスチックからなる請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の変位センサ。
7. 前記第１の基板及び前記第２の基板は、それぞれ、少なくとも２枚の基板からなる多層基板である請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の変位センサ。
8. 前記Ｘ１センサ電極と前記Ｘ２センサ電極の間の静電容量を検出する第１の静電容量検出器と、
   前記Ｙ１センサ電極と前記Ｙ２センサ電極の間の静電容量を検出する第２の静電容量検出器と、
   前記Ｚ１センサ電極と前記Ｚ２センサ電極の間の静電容量を検出する第３の静電容量検出器と、
   を備える請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の変位センサ。
9. 前記第１の静電容量検出器、前記第２の静電容量検出器及び前記第３の静電容量検出器それぞれの静電容量検出値を無線信号に変換して送信する送信回路を備える請求項８に記載の変位センサ。
10. 前記第１の静電容量検出器、前記第２の静電容量検出器、前記第３の静電容量検出器及び前記送信回路それぞれに電源を供給する電源回路を備える請求項９に記載の変位センサ。
11. 前記電源回路は、電池を有する請求項１０に記載の変位センサ。

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