JP2018200196A - 隙間センサおよび隙間測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度、高再現性をもって隙間のデータを測定すること。【解決手段】プローブ（２）は三層基板で両面の対応する位置に電極対（Ｅ１，Ｅ２）が形成され、周辺にガードパターン（Ｇｅ）が形成される。ガードパターンおよびすべての電極は共通の探査信号（Ｖｐ）に基づいて等電位に駆動されるため電極のガードが共有化される。各電極のクランプ電流に基づいて静電容量が求められ、隙間データを取得する。【選択図】 図３

Description

本発明は、対向する部材面の間隙、より具体的には面状に分布する間隙を検出する隙間センサおよびその測定方法に関するものである。

船舶、航空機等の組立技術において、外部パネルと内部の部品の組み付けをする場合に相対位置のアライメントが必要になる。たとえば、航空機の主翼は桁とリブからなる骨組みを含んで構成されたボックス構造を有し、その基端部は胴体と結合するための枠構造を有する。胴体には主翼の基端部を受け入れる略筒構造の固定部（ブラケット）が形成され、主翼の基端部が固定部に挿入されて茶筒のごとき構造で結合される。胴体の固定部は２枚の板部材で主翼の基端部を構成する板部材を挟むように構成され、基端部の板部材の両面はそれぞれ固定部の板部材と数ｍｍ程度の間隙を介して対向している。なお、各板部材はアルミ合金、カーボンファイバー等の導電性材料である。結合作業においては胴体と主翼が所定の位置関係となるようにアライメント調整したのちに、隙間空間の形状に合わせたスペーサーを挿入して締結する。また、胴体を前胴、中胴、後胴に分割して製造したのちに各胴部分を結合して胴体を構成する場合も同様である。

特許第４８３２５１２号公報 特開２０１５−７９９７９号公報

ところで、アライメント後の主翼基板部の板部材と胴体固定部の板部材とで規定される結合位置における隙間を隙間センサ（feeler gauge，thickness gauge）で多点測定し、隙間空間の形状の３次元データを取得することによりスペーサーの形状が特定される。

静電容量センサを用いた電子式隙間センサは通常プローブ部分が長形に構成されその先端側に平面状の検知電極が配置される。プローブの両面に電極が配置される場合には、各電極層の両側をガードパターンで挟む必要があるため全体として６層の導電層が必要となりプローブを薄くすることには限界があった。近年、船舶、航空機、自動車等の板材のプレス金型加工において、ダイとパンチの間隙（クリアランス）を調整する場合等でも隙間の３次元測定が必要となり、より小さい隙間の測定が求められている。

また、主翼と胴体が結合された状態となって車輪の取付が可能となるため、車輪による移動を可能とするためには隙間測定を迅速かつ正確に実施する必要があった。また、船舶、航空機、自動車等の板材のプレス金型加工において、ダイとパンチの間隙（クリアランス）を調整する場合等でも隙間空間の３次元測定が必要となるため、同様の課題があった。

静電容量センサを用いた電子式隙間センサにおいては、一般的に電極に矩形波等の所定の信号を印加し、電極電圧をバッファーを介してガードパターンをアクティブガードする。すなわち、プローブは図１（ａ）に例示するように、プローブ信号が印加される検知電極Ｄｅ’と電極の周辺および背面を電極と同電位とするガードパターンＧ１，Ｇ２を備える。電極Ｄｅ’を含む電極パターンＥ１，Ｅ２にはプローブ信号が印加され測定対象の電気容量に応じた電流が検出される。また、検出された電極Ｄｅ’の電位はバッファーを介してガードパターンＧ１，Ｇ２を電極電位でアクティブガードし電極周辺を同一電位とする。アクティブガードは電極と測定対象との間に生じる電界以外の電界を抑制して電気容量測定の精度を上げることができる。

しかしながら、測定中の電極Ｄｅ’の電位をガードパターンＧ１またはＧ２のガード電位とするため、同じガードパターンに囲まれた複数の電極について同時に測定することはできない。これは、各電極信号が異なるため対応するガード信号は電極ごとに異なるからである。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、本発明によれば測定誤差が小さく再現性の高い隙間データを取得する電子式隙間センサおよび隙間測定方法を提供することができる。

本発明の技術的側面によれば、相互に対向する導電性を有する第１の部材の表面と導電性を有する第２の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間センサは、主軸方向に沿って延在するプローブおよび本体を具備し、前記プローブは基端部が前記本体に接続され先端側に複数の電極が設けられ、前記プローブは第１導電層、第２導電層、第３導電層が積層された多層基板構造を有し、前記第１導電層は前記プローブの第１の面を規定し、第１電極群が配列して形成され、第１電極群と電気的に非接続な第１ガード層が形成され、前記第３導電層は前記プローブの第２の面を規定し、前記第１電極群に相応する位置に第２電極群が配列して形成され、第２電極群と電気的に非接続な第２ガード層が形成され、前記第２導電層は前記第１導電層と第３導電層の間に配置され、前記第１電極群および第２電極群に相応する位置にガード電極が形成され、ガード電極と電気的に非接続な信号ラインパターンが形成され、信号ラインパターンは前記第１電極群および第２電極群の各電極と電気的に接続される。さらに、前記本体の制御部は、前記第１ガード層、ガード電極、および第２ガード層に探査信号を印加し、前記第１電極群および第２電極群の各電極を前記信号ラインパターンを介して前記探査信号で電圧クランプし、電圧クランプによるクランプ電流を検出することにより各電極位置における隙間を測定することを特徴とする。

本発明の他の技術的側面によれば、相互に対向する導電性を有する第１の部材の表面と導電性を有する第２の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間測定方法は、プローブの両面の対応する位置に複数の電極対とガード層が形成され、探査信号を発生することと、前記ガード層に前記探査信号を印加することと、前記複数の電極対の各電極をそれぞれ独立に前記探査信号に電圧クランプすることと、前記各電極のクランプ電流を測定することにより各電極位置における静電容量を検出することと、前記静電容量に基づいて前記各電極位置における隙間を測定することとを特徴とする。

（ａ）は関連技術にかかる電極部の導電層の概念図、（ｂ）は本発明にかかる電極部の導電層の概念図。 本実施形態の隙間センサを示す上面図。 本実施形態のプローブ電極部の断面構造を表す概念図。 制御部コントロール回路の概念図。 隙間センサによる隙間測定の原理を示す概念図。 隙間センサによる隙間測定の概念図。 他の実施形態にかかるプローブ電極を示す概念図。 他の実施形態にかかるセンサ本体の底面図。

本発明の好適な実施形態を示す図面を参照して説明する。

図２に本実施形態にかかる隙間センサの上面図を示す。隙間センサ１は隙間を検知する電極が配置されたプローブ２と、プローブ２とプローブ支持部としてのコネクタ２０を介して接続される本体２１を備える。本体２１はプローブ２の検知電極に電圧を印加したり変位電流を測定する制御部１０を含む。プローブ２はＸＹ面内で主軸方向（Ｘｃ）に延在する長形を成し、対向するワーク等の電導性部材の表面Ｓ１，Ｓ２の間等に形成された隙間空間Ｇに挿入して隙間を測定する。また、プローブ２は電極対アレイ４を含む電極部３が設けられたフレキシブルプリント基板５を備える。フレキシブルプリント基板（ＦＰＢ）５は図１において主軸Ｘ方向に延在する長形で三層構造を有し、長円状の電極４と測定対象となる導電材料の表面Ｓ１，Ｓ２との間に所定の電位を印加して応答電流を測定し、取得された電気容量に基づいて電極位置における隙間が取得される。なお、電極部３を含むプローブ２の表面には磁石で吸引するためのフィラー膜が形成される。

＜プローブ電極＞
プローブ２の電極部３における導電面の構成の概念図を図１（ｂ）および図３に示す。フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）５は表面（第１面）Ｐ１を規定するガードパターンＧ１（第１導電層Ｃ１）と裏面（第２面）Ｐ２を規定するガードパターンＧ２（第３導電層Ｃ３）と２つのガードパターンに挟まれた信号パターンＥｓ（第２導電層Ｃ２）を有する。信号パターンＥｓは各電極Ｅｉに電気的に独立に接続された各電極信号パターンＥｓｉの集合体である。また、導電層間には図示しない絶縁層が配置される。図１（ｂ）においては便宜上電極Ｅｉを円形としているが、楕円、長円等任意の形状でよい。

図３を参照すると、電極部３においては第１導電層Ｃ１に電極パターンＥ１が形成され、周辺を取り囲むように形成されたガードパターンＧ１との間には絶縁体としてリング状のギャップｇｐ１が形成されているため電気的に接続されていない。第３導電層Ｃ３には電極パターンＥ２が形成され、周辺を取り囲むように形成されたガードパターンＧ２との間にはリング状のギャップｇｐ２が形成されており電気的に接続されていない。電極パターンＥ１と電極パターンＥ２とはＸＹ面内の同じ位置に形成され１つの電極対を構成する。

第２導電層Ｃ２には電極対に対応する位置にガードパターンＧｅが形成され、ビアホールＧｂ１、Ｇｂ２を介してガードパターンＧ１，Ｇ２に電気的に接続される。一方、電極パターンＥ１はビアホールＥｂ１を介して第２導電層Ｃ２の対応する信号パターンＥｓ１に接続され、電極パターンＥ２はビアホールＥｂ２を介して対応する信号パターンＥｓ２に接続される。第２導電層Ｃ２においてビアホールＥｂ１，Ｅｂ２とガードパターンＧｅとの間にはギャップが形成されている。電極対は電極部３に複数形成され各電極Ｅｉは信号パターンＥｓｉを介して対応する電圧クランプアンプＶＣＡｉに接続される。

なお、ガードパターンＧ１，Ｇｅ，Ｇ２はすべての電極｛Ｅｉ：ｉ＝１，２・・・ｎ｝（ｎは電極４の極数）に共通のパターンである。したがって、すべての電極Ｅｉは後述するように同一の探査信号Ｖｐに独立に電圧クランプされ、ガードパターンＧ１，Ｇｅ，Ｇ２も同時に探査信号Ｖｐで駆動されるため、電極全体が常に同一の電位となっている。すべての電極Ｅｉおよびガードパターンは電気的に独立であるため仮想的な短絡状態となっており現実に短絡しているわけではない。そのため３層構造でも高精度で静電容量の計測が可能となる。さらに、各電極Ｅｉは独立に電圧クランプされるため、各クランプ電流を同時に計測して同時に電気容量を取得することも可能である。なお、図２の実施形態では８対の電極対、すなわち電極数ｎ＝１６として説明する。

＜等電位駆動制御＞
図４に制御部１０のコントロール回路の概念図を示す。本発明におけるガード電位および電極の制御は独自の等電位駆動法を採用する。探査信号発生器ＳＧは基準探査信号Ｓｐとして正弦波を発生し、その振幅はマイクロコントローラＭＣにより制御される。探査信号ＳｐはドライバＡＭＰを介してガード信号ＶｐとしてガードパターンＧ１，Ｇｅ，Ｇ２に印加される。

電圧クランプアンプ（電圧クランプ回路）ＶＣＡ１〜ＶＣＡ１６は信号パターンＥｓ１〜Ｅｓ１６を介して１６極の電極Ｅ１〜Ｅ１６に独立に接続される。各電圧クランプアンプＶＣＡｉはドライバＡＭＰの出力Ｖｐを探査電圧として入力し、電極Ｅｉを電圧Ｖｐに電圧クランプする。探査電圧Ｖｐは正弦波であるため電圧クランプアンプＶＣＡｉは可変電圧源である。

電圧クランプアンプＶＣＡｉはメインクランプアンプＯＰｉａとしての差動増幅器（オペアンプ）を有し非反転入力端子（＋）に探査電圧Ｖｐが入力されると反転入力端子（−）に接続されたクランプ出力電圧Ｖｆｉａが探査電圧Ｖｐと常に等しくなるように負帰還制御する。また、メインクランプアンプＯＰｉａの出力端子と反転入力端子の間にはクランプ電流Ｉｓｉを検出する抵抗器（クランプ電流検出抵抗）Ｒｓｉａが接続され、抵抗器Ｒｓｉａの両端電圧から電極Ｅｉが電圧クランプされているときのクランプ電流（変位電流）を検出することができる。

抵抗器Ｒｓｉａの両端電圧ΔＶは切り換えスイッチＳＷ１およびＳＷ２を介して差動増幅器ＩＮＡで増幅され、クランプ電流Ｉｅｉ＝ΔＶ／Ｒｓｉａを検出することができる。

メインクランプアンプＯＰｉａを構成する差動増幅器はわずかな入力容量、バイアス電流等をもち温度特性をもつ上に特性のばらつきもある。探査対象の静電容量は一般にｐＦ程度以下であるため差動増幅器の特性のばらつきは大きな測定誤差となりうる。そのため特性のそろった差動増幅器を参照クランプアンプＯＰｉｂとして採用し探査電流以外の誤差要素を補償する構成としている。

より詳細には、電圧クランプアンプＶＣＡｉはメイククランプアンプＯＰｉａとともに参照クランプアンプＯＰｉｂを有する。参照クランプアンプＯＰｉｂはメイククランプアンプＯＰｉａと同じ外部回路を有し、非反転入力端子（＋）に探査電圧Ｖｐが入力され反転入力端子（−）に接続されたクランプ出力電圧Ｖｆ１ｂは常にＶｐと等しくなるように負帰還制御する。クランプ出力電圧Ｖｆｉｂが電極Ｅｉに接続されずに無負荷であることだけがメインクランプアンプＯＰｉａと異なる。

参照クランプアンプＯＰｉｂの出力端子と反転入力端子の間には無負荷時のクランプ電流Ｉｒｉを検出する抵抗器（参照電流検出抵抗）Ｒｓｉｂが接続され、抵抗器Ｒｓｉｂの両端電圧から無負荷で電圧クランプされているときの参照クランプ電流Ｉｒｉを検出することができる。参照クランプ電流Ｉｒｉは負荷としての電極に流れる電流以外の電流成分を反映している。一方、２つの演算増幅器のクランプ出力電圧Ｖｆｉａ、Ｖｆｉｂは電圧クランプ時には実質的に探査電圧Ｖｐに等しい。したがって、メインクランプアンプＯＰｉａで検出された探査電圧Ｖｏｉａには電極Ｅｉに流れる正味のクランプ電流Ｉｓｉに差動増幅器に由来するバイアス電流Ｉｒｉが付加されたものと解釈することができる。そこでメインクランプアンプＯＰｉａと参照クランプアンプＯＰｉｂの出力電圧Ｖｏｉａ、Ｖｏｉｂの差動演算をすることにより正味のクランプ電流Ｉｅｉを取得することができる。

なお、電圧クランプアンプＶＣＡｉを構成する２つの差動増幅器ＯＰｉａ、ＯＰｉｂは特性のそろったオペアンプが１パッケージに収められたデュアルタイプのオペアンプであることが好ましい。さらに、差動増幅器の入力を保護するために、各非反転入力端子とクランプ出力端子Ｖｆｉａ、Ｖｆｉｂの間に抵抗器を挿入してもよい。

図４の実施形態では、マイクロコントローラＭＣの制御により切り換えスイッチ（アナログスイッチ）ＳＷ１およびＳＷ２で測定対象の電極Ｅｉを順次選択し、差動増幅器（計装アンプ）ＩＮＡにより出力電圧Ｖｏｉａ、Ｖｏｉｂの差動演算を行うことで高精度にクランプ電流を検出する（電流検出回路）。

本発明は各電気要素を独立に同電位で駆動する独自の等電位駆動法を採用するため原理的には複数の電極におけるクランプ電流を同時に測定することができるが、本実施形態では１つの差動増幅器ＩＮＡと切り換えスイッチを組み合わせて時分割で各電極の静電容量を測定する。全ての電極に共通の１つの処理系を使用することにより安定した処理が期待されさらに本体２１をコンパクトに構成することができる。また、本実施形態ではプローブ２の電極４は６対、１２極としたがさらなる多極化も可能である。
＜適応探査信号のフィードバック制御と電荷クランプ法＞
電極Ｅｉは平面電極であり対向する被測定面との間に仮想コンデンサ（容量Ｃ）を形成するため、後述するように静電容量を測定することで極板間の距離ｄを求めることができる。

電極Ｅｉと導電性表面Ｓ１，Ｓ２との間に電位差ｖが生じるとそれに応じて電荷ｑ＝±Ｃｖがそれぞれの表面に生じる。電位差として交流を印加した場合には電極には変位電流ｉ＝Ｃδｖ／δｔが流れる。電導性表面には電極と同じ領域に反対の極性の電荷が現れるので電極と導電性表面との距離をｄとすればＣ＝εＳ／ｄの関係がある（εは間隙空間の誘電率）。したがって、変位電流の測定から仮想コンデンサの静電容量が求まれば距離ｄ＝εＳ／Ｃを取得することができる。なお、本実施形態では電位差ｖは上述したように電圧クランプを用いて探査信号Ｖｐに正確に一致するように制御され、探査信号はＶｐ（ｔ）＝Ａsin（２πｆｔ）の形で表現される。

探査信号の印加に対するクランプ電流は測定対象の電気容量Ｃが小さいほど振幅が小さくなり検出の精度が下がる。そこで、本実施形態ではクランプ電流の大きさが所定の値の近傍を維持するようにマイクロコントローラＭＣが探査信号の振幅Ａを適応させて測定精度を高める。電流の大きさを一定にするのはコンデンサの静電容量が変化しても蓄積される電荷（変位電流の積分値）を一定にすることに対応する。具体的には、クランプ電流の振幅が小さくなれば等電位駆動の共通電位としての探査信号Ｖｐの振幅を増加し、クランプ電流の振幅が大きくなれば探査信号Ｖｐの振幅を減少させるようにマイクロコントローラＭＣが制御する。

さらに好ましくは、電圧の振幅係数Ａに比例するクランプ電流の振幅を一定とするように探査信号電圧Ｖｐをフィードバック制御することにより、適応探査信号Ｖｐの振幅Ａから静電容量を求めることができる。これは測定対象と電極で較正される仮想コンデンサに所定の電荷を充電するために必要な探査信号Ｖｐの大きさをフィードバック制御するもので、電極の電圧クランプ制御および等電位駆動制御を前提とする本発明独自の電荷クランプ法である。

電荷クランプ法においては、既知の較正された基準静電容量Ｃ０に対する探査信号電圧Ｖｐの振幅をＡ０としたときに、任意の静電容量Ｃに対する適応探査信号電圧Ｖｐの振幅がＡであるとき、Ｃ／Ｃ０＝Ａ／Ａ０の関係が成立する。振幅Ａの情報は探査信号Ｖｐを整流、平滑（積分）して直接取得することができる。したがって、フィードバック制御による適応探査信号電圧Ｖｐの振幅Ａを測定するだけで静電容量Ｃを取得することができる。

本実施形態では探査信号Ｖｐを正弦波としたがこれに限定されるものではなく任意の波形を用いることができる。この場合にも静電容量Ｃに所定の電荷を充電するときの探査信号電圧Ｖｐの大きさから静電容量を求めることができる。

本発明によるプローブにおける電極部の構成、電圧クランプ制御、等電位駆動制御および電荷クランプ制御により、ガード電極およびすべての電極は常に探査信号Ｖｐと同一電圧で駆動されている。電圧クランプ動作中において、クランプ電流を検出している電極の電位が探査信号にいわば固定されているため、高安定で高精度の隙間測定が可能である。また、差動増幅器ＩＮＡを複数設置することで複数の電極のクランプ電流を同時に取得することも可能である。

＜隙間測定＞
以下に本発明の隙間センサを用いた隙間測定方法について説明する。

プローブ２における電極対アレイ４を構成する各電極対Ｅｉは基板５の表面Ｐ１と裏面Ｐ２の同じ位置に配置され信号線Ｅｓを介してそれぞれ独立に本体２１に内蔵された制御部１０に接続される。

図５（ａ）に示すようにすきまＧにプローブ２を挿入して各電極対により各位置での静電容量の検出が行われ、上側の電極Ｅ１と表面Ｓ１との間の静電容量が取得される。引き続き上側の電極Ｅ１と同じ位置の下側の電極Ｅ２と表面Ｓ２との間の静電容量が取得される。これらの静電容量データから、上側の電極Ｅ１と表面Ｓ１との間の距離ｄ１と下側の電極Ｅ２と表面Ｓ２との間の距離ｄ２が取得できれば対向する面Ｓ１、Ｓ２の間の隙間ｄを求めることができる。全ての電極対について順次同様の測定を行なうことで電極部周辺における隙間ｄの２次元分布を取得することができる。隙間センサ１で取得された隙間データは通信手段３１を介してタブレットＰＣ等のコントローラ３０に送信されデータ処理される。

電極対４はプローブ２に離散的に配置されるが複数の電極対を備えるため、電極対の位置および隙間データに基づいて近隣の電極対間の任意の位置におけるデータを算出することができる。すわなち、隣接する３つの電極対４の隙間データを補完することにより当該電極群に囲まれた領域の任意の位置における隙間データを算出することができる。したがって、本実施形態により隙間センサが小型化され、広い隙間空間を連続的に測定して３Ｄ表示することもできる。なお、プローブ２には主軸Ｘｃ方向にスケール２８が設けられているため測定電極Ｅｉの位置（奥行）ｒを容易に確認することができる。

隙間測定の測定対象となる部材はアルミ合金、カーボンファイバー等の導電性材料からなることを想定するが、非導電性材料であったとしても表面かその近傍に導電性材料が表面に沿ってコーティングまたは被覆されているものであれば隙間測定が可能である。

隙間測定においては電極面が測定面Ｓ１，Ｓ２と平行であることが好ましく、図６（ａ）に示すように磁石２５を用いてプローブ２を測定面Ｓ１に付着させてもよい。プローブ２の表面には磁性フィラー膜が形成されているため、測定面Ｓ１側にプローブ２が吸着されるように磁石２５を設置することでより安定した隙間測定を行うことができる。

本発明により独自の電極構造を採用し静電容量測定に等電位駆動法および電荷クランプ制御を用いることで隙間を正確かつ再現性よく測定することができる。なお、本発明にかかる等電位駆動法は探査信号を共通の電位とする方法であるため、本実施例のような３層基板構造でなくても複数の電極と複数のガードパターンを駆動して同様の効果を得ることができる。

隙間測定を行うにあたって隙間センサ１の較正を行う。較正にはアルミ平板で構成され所定の隙間ｄ０を有する基準サンプルを用いる。隙間はたとえば０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍである。金属平板は隙間センサ１と共通の接地が施される。基準サンプルの隙間Ｇにプローブ２を挿入して隙間ｄ０を測定して較正する。較正においては上記基準振幅Ａ０の修正等を行う。

＜他の実施形態＞
図７および図８はプローブ２の別の実施形態を示すものである。電極部の構造は図２の実施形態のプローブ２と同じであるが、電極対４ａ〜４ｅはプローブ２の主軸Ｘｃに沿って２列の千鳥配置とされ、１６極の円形の電極を備える。プローブ２はＹ軸方向のまわりに回動可能な回動軸を有するプローブ支持部（コネクタを含む）２０を介して本体２１に固定される。上側のワーク等の部材が板部材である場合には、本体２１を板部材の上面に設置してプローブ２を底面２１Ｂに折りたたむような状態で隙間Ｇに挿入する。プローブ支持部２０は板部材の厚さに応じて上下動自在である。また、図６（ｂ）に示すように、本体２１の底部には磁石２５が内蔵されているため、プローブ２のフィラー膜の磁性を利用してプローブ２を表面Ｓ１に吸着させることができる。

隙間測定はすでに説明したように、探査信号Ｖｐに基づいてガード電位およびすべての電極の電位を同一とした上で電極対４の上下の電極における静電容量を測定する電荷クランプ制御を採用し、隙間ｄデータを取得する。隙間測定は全ての電極対４に対して順次実施される。

本体底面２１ＢにはＹ方向の移動距離（相対位置）を計測する位置検出センサとしてのロータリエンコーダ２３と、Ｙ方向の基準位置を確認するための基準位置検出センサ２４が配置されている。板部材の上面には基準位置センサ２４が検出するバーコード状のマーカーがＹ方向に等間隔に配置され、基準位置検出センサ２４がマーカ−からの反射光を読み取って基準位置を検出する。なお、本実施形態ではプローブ２は本体２１の底面２１Ｂに平行になるほどに回動したが、たとえばＹＺ面方向に延在する隙間に対してプローブ２をＺ軸方向に平行になるように回動すれば隙間計測が可能である。

本発明にかかるプローブを三層構造として各電極のガードを共通化したことにより薄く構成することができ、より狭い隙間の測定を行うことができる。またガード電位を共通化したことで配線の数を減らすことができ多くの電極をプローブに配置することができる。さらに等電位駆動制御を適用したことですべての電極およびガード電位が等電位に駆動されるので、安定かつ再現性の高い測定が可能となる。さらに、電荷クランプ法を採用することで探査信号の大きさから静電容量を測定することができる。

１ 隙間センサ
２ プローブ
３ 電極部， Ｘｃ 電極部主軸
４ 電極対アレイ
５ 多層基板（フレキシブル基板）
Ｃ１〜Ｃ３ 導体パターン層（配線層）
Ｇ１，Ｇ２，Ｇｅ ガードパターン
Ｅ１，Ｅ２ 電極
Ｇｂ１，Ｇｂ２，Ｅｂ１，Ｅｂ２ ビアホール
Ｓ１，Ｓ２ 板部材（ワーク）表面
Ｇ 隙間
１０ 制御部
ＳＧ 信号発生器、 ＡＭＰ ガード駆動アンプ
ＶＣＡ１，ＶＣＡ２，ＶＣＡｎ 電圧クランプアンプ
ＩＮＡ 差動増幅器（計装アンプ）
ＳＷ１，ＳＷ２ 選択スイッチ
ＭＣ マイクロコントローラ
２０ プローブ支持部（コネクタ）
２１ 本体・測定台車部（アンプ、通信）
２１Ｂ 台車底面（磁気吸引部）
２３ 位置検出センサ（ロータリエンコーダ）
２４ 基準位置検出センサ
２５ 磁気吸引部（磁石）
２８ スケール
３０ コントローラ（タブレットＰＣ）
３１ 通信手段（有線、無線）

Claims (10)

1. 相互に対向する導電性を有する第１の部材の表面と導電性を有する第２の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間センサであって、
   主軸方向に沿って延在するプローブおよび本体を具備し、
   前記プローブは基端部が前記本体に接続され先端側に複数の電極が設けられ、
   前記プローブは第１導電層、第２導電層、第３導電層が積層された多層基板構造を有し、
   前記第１導電層は前記プローブの第１の面を規定し、第１電極群が配列して形成され、第１電極群と電気的に非接続な第１ガード層が形成され、
   前記第３導電層は前記プローブの第２の面を規定し、前記第１電極群に相応する位置に第２電極群が配列して形成され、第２電極群と電気的に非接続な第２ガード層が形成され、
   前記第２導電層は前記第１導電層と第３導電層の間に配置され、前記第１電極群および第２電極群に相応する位置にガード電極が形成され、ガード電極と電気的に非接続な信号パターンが形成され、信号パターンは前記第１電極群および第２電極群の各電極と電気的に接続され、
   前記本体の制御部は、
   前記第１ガード層、ガード電極、および第２ガード層に探査信号を印加し、
   前記第１電極群および第２電極群の各電極を前記信号パターンを介して前記探査信号で電圧クランプし、
   電圧クランプによるクランプ電流を検出することにより各電極位置における隙間を測定することを特徴とする隙間センサ。
2. 前記制御部は、
   探査信号発生器と、
   前記第１ガード層、ガード電極、および第２ガード層に探査信号の電圧を印加する駆動回路と、
   前記第１電極群および第２電極群の各電極を独立に駆動して前記探査信号の電圧にクランプする電圧クランプ回路と、
   前記各電極のクランプ電流を検出する電流検出回路とを備え、
   前記検出された電流から電気容量を算出して隙間を測定することを特徴とする請求項１記載の隙間センサ。
3. 電圧クランプ回路は、前記探査信号と各電極の電圧の誤差をフィードバックしてクランプ制御し、
   前記電圧クランプ回路の駆動出力と各電極との間に接続されたクランプ電流検出抵抗を介して供給される電流がクランプ電流として検出されることを特徴とする請求項１記載の隙間センサ。
4. 前記電圧クランプ回路は、
   前記探査信号に基づいて電圧クランプ制御するクランプアンプの駆動出力と負帰還入力との間にクランプ電流検出抵抗が接続されクランプ電流検出抵抗の負帰還入力側の一端が各電極に接続され、
   前記各電極に接続されずに前記探査信号に基づいて電圧クランプ制御する参照クランプアンプの駆動出力と負帰還入力との間に参照電流検出抵抗が接続され、
   前記電流検出回路は、前記クランプアンプの駆動出力と参照クランプアンプの駆動出力との差を演算する差動増幅器を備えることと
   を特徴とする請求項２記載の隙間センサ。
5. 前記検出されたクランプ電流の大きさを一定とするように前記探査信号の大きさをフィードバック制御し、前記探査信号の大きさから静電容量を算出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の隙間センサ。
6. 前記第１電極群および第２電極群の各電極に関連する前記クランプアンプおよび参照クランプアンプは１つのパッケージに収納されることを特徴とする請求項４記載の隙間センサ。
7. 相互に対向する導電性を有する第１の部材の表面と導電性を有する第２の部材の表面の隙間を静電容量測定法により検出する隙間測定方法であって、プローブ両面の対応する位置に複数の電極対とガード層が形成され、
   探査信号を発生することと、
   前記ガード層に前記探査信号を印加することと、
   前記複数の電極対の各電極をそれぞれ独立に前記探査信号に電圧クランプすることと、
   前記各電極のクランプ電流を測定することにより各電極位置における静電容量を検出することと、
   前記静電容量に基づいて前記各電極位置における隙間を測定することと
   を特徴とする隙間測定方法。
8. 前記探査信号は正弦波であり、前記クランプ電流の大きさに相応して正弦波の振幅を可変することを特徴とする請求項７記載の隙間測定方法。
9. 前記クランプ電流の大きさを一定とするように前記探査信号の振幅をフィードバック制御し、フィードバック制御されているときの前記探査信号の振幅から静電容量を求めることを特徴とする請求項７記載の隙間測定方法。
10. 隣接する電極対における隙間距離と電極間距離に基づいて電極間における任意の位置の隙間を補完することを特徴とする請求項８または９記載の隙間測定方法。

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