JP2729321B2 - 静電容量型測長器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、機械的な変位量を静電容量の変化量とし
て電気信号に変換する静電容量型測長器に関するもの
で、特に変位量と静電容量の変化量との関係が線形でし
かも比例定数が正となるものに関する。

＜従来の技術＞ 従来のこの種の静電容量型測長器としては、第６図に
示すような構造を有するものがあった。

図に示すように、この測長器の要部は、円筒状の電極
１、２と、この電極１、２内に同心状に配置された円柱
状の共通のコア電極３と、電極１とコア電極３との間を
中心軸に沿って可動する円筒状のスクリーン４とから構
成されている。

この電極１、２にはそれぞれ基準方形波電圧V_rと測定
方形波電圧V_mが印加されている。この電圧V_r、V_mは同一
周波数で位相差180度（逆相）の方形波電圧であり、電
圧V_rは一定、電圧V_mは可変される。

このような構成からなる測長器の検出部において、電
極１とコア電極３との間には測定キャパシタC_m（キャパ
シタンスc_m）が形成され、電極２とコア電極３との間に
は基準キャパシタC_r（キャパシタンスc_r）が形成され
る。

この測長器においては、スクリーン４が変位して測定
キャパシタC_mのキャパシタンスc_mが変化すると、コア電
極３に誘導されるAC電圧が零となるように電子装置によ
り測定方形波電圧V_mが変化される。即ち、これは測定キ
ャパシタC_mに基準方形波電圧V_rを印加することによりコ
ア電極３に発生する電流と、基準キャパシタC_rに測定方
形波電圧V_mを印加することによりコア電極３に発生する
電流との和が零となるように測定方形波電圧V_mを変化さ
せることである。

この関係から次のような関係式が成り立つ。

ここで、電圧V_m、V_rはその位相差が180度であるため異
符号となり、V_r＝−V_r′と表すと、 となる。

この式（３）において比例定数V_r′/C_rは、正とな
り、測定キャパシタC_mのキャパシタンスc_mと測定方形波
電圧V_mとの関係は、キャパシタンスc_mが増加すると電圧
V_mも増加し、又キャパシタンスc_mが減少すると電圧V_mも
減少する関係になる。

第６図において、スクリーン４を電極１内に差し込む
ように移動（図中右方向に移動）させたときの変位Ｘを
正とすると、測定キャパシタC_mのキャパシタンスc_mは次
の式で表される。

c_m＝c₀（１−aX） ＝−ac₀X＋c₀ …（４） ここでc₀はスクリーン４が基準位置にあるとき（Ｘ＝
０のとき）の測定キャパシタC_mのキャパシタンスを表す
ものであり、ａは正の比例定数である。

上記式（３）、（４）より、測定方形波電圧V_mは次の
ような変位Ｘの一次式として表すことができる。

式（５）に示すように、 比例定数 は、必ず負の値となり、これにより第７図に示すよう
に、変位Ｘが増加すると測定方形波電圧V_mは減少し、変
位Ｘが減少すると電圧V_mは増加することになる。

このように、スクリーン４の変位Ｘを電極１内に差し
込む方向を正とすると、変位Ｘと測定方形波電圧V_mの増
加、減少の関係は逆になり、変位Ｘと電圧V_mは線形の関
係にはあるが比例関係にないことになる。

一般に、スクリーン４にはスピンドルが直結されてお
り、このスピンドルが押し込まれる方向、即ちスクリー
ン４が電極１内に差し込まれる方向を正の値として表示
している。

従って、前述したような変位Ｘと測定方形波電圧V_mと
の関係において、この電圧V_mを電圧計等で測定して変位
Ｘを表示する場合、電圧V_mと変位Ｘとの線形の関係を保
ちながらその比例定数が正となるように電圧V_mを更に変
換することが必要となる。

このため、この変換には精度の良い演算回路等の電子
回路を必要としていた。

＜発明が解決しようとする課題＞ 上記のように、従来の静電容量型測長器において、実
際に測定方形波電圧V_mを利用して変位Ｘを表示するに
は、電子回路を使用することが必要であった。しかしな
がら、このような電子回路の付加はコストアップにつな
がると共に、回路の安定性及び温度特性を低下させる要
因になるという課題を生じさせるものであった。

本発明は、上記従来例における変換用の電子回路を使
用することなく、直接測定方形波電圧を使用して変位を
表示可能にすることにより、コストダウンを図り、温度
特性及び安定性を向上させることを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明の静電容量型測長器は、円筒状の第１乃至第３
リング電極と、これらと同心状に配置された円柱状の共
通コア電極と、第１リング電極と共通コア電極との間を
中心軸に沿って可動するスクリーンとを備えており、第
１乃至第３リング電極と共通コア電極との間にそれぞれ
測定キャパシタC₁、補正キャパシタC₂及び基準キャパシ
タC₃を形成している。

この第１乃至第３リング電極には、それぞれ基準方形
波電圧E₁、補正方形波電圧E₂、測定方形波電圧E₃が印加
されている。

この補正方形波電圧E₂は基準方形波電圧E₁と同一周波
数で逆相に設定されており、又測定方形波電圧E₃は基準
方形波電圧E₁と同一周波数で同相に設定されている。

又、この測長器においては、補正方向波電圧E₂と、第
２リング電極と共通コア電極との間に形成される補正キ
ャパシタC₂のキャパシタンスc₂のいずれか一方又は両方
を調整することにより、c₀|E₁|＝c₂|E₂|（c₀はスクリー
ンの変位Ｘが零のときの測定キャパシタC₁のキャパシタ
ンス）としている。

更にこと測長器では、スクリーンの変位により測定キ
ャパシタC₁のキャパシタンスc1₁が変化すると、共通コ
ア電極に誘導される帰還電圧E_mが零となるように、一定
のDC電圧と可変の測定DC電圧E₀との間を交互に切り換え
ることにより測定方形波電圧E₃を変化させている。

＜作用＞ 本発明の静電容量型測長器においては、共通コア電極
に誘導される帰還電圧E_mが零となるように測定方形波電
圧E₃を変化させている。

即ち、帰還電圧E_mを零にするには、測定キャパシタ
C₁、補正キャパシタC₂及び基準キャパシタC₃によりそれ
ぞれ共通コア電極に誘導される電流の和を零にするよう
に測定方形波電圧E₃を可変する。

本発明においては、測定キャパシタC₁と補正キャパシ
タC₂にそれぞれ印加される基準方形波電圧E₁と補正方向
波電圧E₂が逆相の電圧であるため、これにより誘導され
る電圧は互いに打ち消し合うことになる。更に、変位Ｘ
が零のときの測定キャパシタC₁のキャパシタンスをc₀と
すると、このときの誘導電流（kc₀E₁）と補正キャパシ
タC₂により誘導される電流（kc₂E₂）が等しくなるよう
に設定されている。尚、ｋは定数である。

この条件下において、変位Ｘが零のときには、測定キ
ャパシタC₁と補正キャパシタC₂により誘導される電流は
等しいのでその和は零になる。従って、基準キャパシタ
C₃により誘導される電流（kc₃E₃）を零にするため、測
定方形波電圧E₃は零になる。

又、スクリーンが変位して測定キャパシタC₁のキャパ
シタンスc₁が減少すると、基準方形波電圧E₁が一定であ
るため、誘導される電流が減少する。このときに補正キ
ャパシタC₂により誘導される電流は一定であるため、こ
れらの誘導電流の総和を零にするためには、基準キャパ
シタC₃に印加する測定方形波電圧E₃を増加することが必
要であり、この電圧E₃は電子装置により増加される。

このように、本発明における測長器では、スクリーン
の変位に応じて測定方形波電圧E₃が零から徐々に増大す
る比例関係を持つことになる。

＜実施例＞ 以下図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る静電容量型測長器の
検出部を構造を示す概略説明図である。

11、12、13は円筒状をなす第１乃至第３リング電極で
ある。この第１乃至第３リング電極11〜13は、その中心
が同一中心線上に位置するように一定の間隔をあけて配
置されている。

14は円柱状の共通コア電極であり、第１乃至第３リン
グ電極11〜13の中心軸に沿ってこれらの電極11〜13を挿
通するように配置されている。

15はスクリーンであり、軸受20により支持されている
スピンドル25に一体的に取り付けられており、スピンド
ル25と共に変位するものである。このスクリーン15は円
筒状をなすものであり、第１リング電極11と共通コア電
極14との間を中心線に沿って変位する。

上記第１乃至第３リング電極11〜13と共通コア電極14
間にはそれぞれ測定キャパシタC₁、補正キャパシタC₂及
び基準キャパシタC₃が形成される。これら測定キャパシ
タC₁、補正キャパシタC₂及び基準キャパシタC₃のキャパ
シタンスは、それぞれc₁、c₂及びc₃であり、キャパシタ
ンスc₁はスクリーン15の変位により可変される。

又、第１乃至第３リング電極11〜13には、それぞれ基
準方形波電圧E₁、補正方向波電圧E₂及び測定方形波電圧
E₃が印加されている。この基準方形波電圧E₁は常に一定
であり、又補正方形波電圧E₂はこの電圧E₁の周波数と同
一周波数を有し、位相差が180度となる逆相の電圧に設
定されており、これも常に一定に保たれている。測定方
形波電圧E₃は、電圧E₁と同一周波数で同相の電圧であ
り、後述する電子装置により可変される。この測定方形
波電圧E₃の可変は、３つのキャパシタC₁〜C₃により共通
コア電極14に誘導される帰還電圧E_mが零になるように電
子装置により可変される。

更に、スクリーン15の変位Ｘが零のときのキャパシタ
ンスc₁をc₀とすると、c₀|E₁|＝c₂|E₂|の関係が成立する
ように予め補正方形波電圧E₂とキャパシタンスc₂のいず
れか一方又は両方が調整されている。

次に数式にて本実施例の静電容量型測長器における変
位Ｘと測定方形波電圧E₃の変化が線形でしかも比例する
関係にあることを説明する。

スピンドル25が移動し、これによりスクリーン15が測
定キャパシタC₁内に差し込まれるように変位すると、そ
のキャパシタンスc₁も変化することになる。これと同時
に、後述する電子装置が働いて、共通コア電極14に誘導
される帰還電圧E_mが零となるように測定方形波電圧E₃が
変化される。即ち、キャパシタC₁〜C₃によりそれぞれ共
通コア電極14に誘導される電流をi₁、i₂、i₃とすると、
次式を満足するように測定方形波電圧E₃が変化される。

i₁＋i₂＋i₃＝０ …（６） キャパシタC₁、C₂、C₃のキャパシタンスがc₁、c₂、c₃
であり、第１乃至第３リング電極11〜13に印加される電
圧がそれぞれE₁、E₂、E₃であることから、式（６）は次
のように表せる。

E₁c₁＋E₂c₂＋E₃c₃＝０ 従って、測定方形波電圧E₃は次式のように表すことが
できる。

電圧E₃とE₁は同相の方形波電圧であり、又電圧E₃とE₂
は逆相の方形波電圧であることから、E₂＝−E₂′と置き
換えて式（７）を書き換えると、測定方形波電圧E₃は次
式のようになる。

一方、スピンドル25が第１図中右方向に移動し、スク
リーン15が測定キャパシタC₁内に差し込まれる方向を正
として変位Ｘを表す場合に、Ｘ＝０のときの測定キャパ
シタC₁のキャパシタンスをC₀とすると、キャパシタンス
c₁は次式で表すことができる。

c₁＝c₀（１−aX） …（９） ここでａは測定キャパシタC₁を形成する第１リング電
極11の内径、共通コア電極14の外径及びキャパシタンス
c₀をキャパシタC₁の誘電体の誘電率E_rで割った商C₀/E_r により定まる値であり、正の定数である。

この式（９）を（８）に代入すると測定方形波電圧E₃
は、 で表すことができ、 とおくと、式（10）は次のように変形される。

E₃＝αＸ＋β …（12） 本実施例においては、c₂|E₂|＝c₀|E₁|となるように設
定してあり、これはc₂E₂′＝c₀E₁と置き換えることがで
き、これを式（11）に代入するとβ＝０となる。従っ
て、測定方形波電圧E₃は次式で表すことができる。

この比例定数αは、正の値であるため、電圧E₃と変位
Ｘとの関係は、第２図に示すように変位Ｘが増加すると
電圧E₃は変位Ｘに正比例して増加し、又変位Ｘが減少す
ると電圧E₃は変位Ｘに正比例して減少し、更に変位Ｘが
零のときは電圧E₃も零となる関係になる。

尚、式（10）に示すように、電圧E₃はC₁/C₃、C₂/C₃な
どのようにキャパシタンスの比で表されているので、キ
ャパシタC₁〜C₃が同一誘電体で構成されていれば誘電率
の影響を受けることは全くない。

又、c₂|E₂|≠c₀|E₁|の場合、βは零でない定数となる
ので、電圧E₃はβ分だけ増加し、測定した長さの表示値
は見掛け上Ｘ＝０の点がβ／αだけマイナス側に移動す
ることになる。

従って、c₂|E₂|＝c₀|E₁|の関係に設定することが必要
であるが、このように設定するには前述したようにキャ
パシタンスc₂及び電圧E₂の一方又は両方を調整すること
が必要である。本実施例においては、第２リング電極12
に取り付けられている調整ネジ17を出し入れすることに
よりキャパシタンスc₂を調整して上記関係を保つように
している。

又、一般に電圧E₂を調整する場合には、電子装置側に
温度特性良好なポテンショメータ等の電気部品が用いら
れるが、更に厳しい温度特性良好なることが要求される
場合には、このような電気部品を使用しないことが望ま
しい。この場合にも、本実施例においては補正キャパシ
タC₂を調整することにより電気部品により電圧E₂を調整
することなくＸ＝０の点の調整が可能である。又、この
補正キャパシタC₂及びその調整ネジ17を設けたことによ
り、複数の検出部を同時に使用する場合でも、その全て
の測定原点を一致させることが可能である。

更に、本実施例における基準キャパシタC₃のキャパシ
タンスc₃は、大きな調整ネジ18によりおよその調整が行
われ、次に小さな調整ネジ19により微調整が行われるこ
とにより調整される。このため、複数の検出部を使用す
る場合でも、各検出部におけるキャパシタンスc₃を同一
の値に調整することができ、異なる検出部を同一の電子
装置に接続することが可能である。

又、本実施例におけるキャパシタC₁〜C₃は、それぞれ
円筒状の第１乃至第３リング電極11〜13と円柱状の共通
コア電極14とから構成されており、更にこのリング電極
11〜13と共通コア電極14の中心軸は一致するように固定
されている。

一般に中心軸同志の距離の変化量が同じでも、中心軸
のズレが大きいほどその影響が大きくなるが、本実施例
の場合これらの中心軸の位置が変わることなく、仮に衝
撃等により僅かに位置が変わったとしても式（13）の比
例定数を構成するａの変動は非常に微小であり、測定方
形波電圧E₃にほとんど影響を与えるものではない。

更に、スクリーン15に固定されているスピンドル25
は、スクリーン15と共にリング電極11〜13及び共通コア
電極14の中心軸上に配置され、又その中心軸上を移動す
るので、このスピンドル25のラジアル方向のガタの影響
がほとんどなくなる。

又、基本的にこの検出部においては、共通コア電極14
に誘導される帰還電圧E_mが励起用の方形波電圧E₁、E₂、
E₃の影響を受けないようにする必要があり、更にこの電
圧E₁、E₂、E₃も互いに影響し合わないようにする必要が
ある。そのため、本実施例では電圧E₁、E₂、E₃、E_mを導
くための検出部と電子装置とを結ぶ線をシールド21〜24
によりシールドしている。

特に、帰還電圧E_mを導く線は完全にシールドすること
が要求されるが、以下の方法によりシールドを簡略化す
ることも可能である。

即ち、第３図に示すように検出部内において、共通コ
ア電極14にインピーダンス変成器26の入力側と放電用抵
抗27の一方側を接続して、又放電用抵抗27の他方側を接
地すると共に、インピーダンス変成器26の出力側を電子
装置に接続する。これにより、検出部内に設けられたイ
ンピーダンス変成器26と電子装置間のインピーダンスを
小さくすることができ、シールドを簡略化することがで
きる。

このため、高感度、高精度が要求されない場合には、
電圧E₁、E₂、E₃、E_m′を導く線を一本ずつでなく、まと
めてシールドすることが可能になる。但し、高感度、高
精度が要求される場合には、線を一本ずつシールドする
ことが望ましい。

又、第１乃至第３リング電極11、12、13及び共通コア
電極14の材質を同一とすることにより、部品の熱膨張が
同一となり、温度変化によるキャパシタのアンバランス
を防止でき、検出部の温度性能の向上を図ることができ
る。

第４図は検出部に電圧を印加する電子装置の回路構成
を示す図であり、第５図はその出力電圧の位相関係を示
すタイムチャートである。

30は基準となる方形波電圧E oscを出力する発振器で
ある。この発振器30は水晶式、CR式のどちらでも良いも
のであり、水晶式の場合には分周器を用いて希望の周波
数を得るように構成することもできる。

31、32は電子スイッチであり、電子スイッチ31はDC電
圧E_rと接地レベルとの間を電圧E oscに応答して切り換
えて基準方形波電圧E₁として出力し、電子スイッチ32は
DC電圧−E_rと接地レベルとの間を電圧E oscに応答して
切り換えて補正方形波電圧E₂として出力する。

33は帰還電圧E_mを入力する入力増幅器であり、34はそ
の出力電圧E₄を入力して電圧E oscの半周期ごと（t₁₁、
t₁₂、t₁₃・・・及びt₂₁、t₂₂、t₂₃・・・ごと）に復調
する復調器、35は復調された電圧を入力する差動積分
器、36はその出力するDC電圧E₀と接地レベルとの間を電
圧E oscに応答して切り換えて測定方形波電圧E₃として
出力する電子スイッチである。

上記電子装置において、電圧E₁、E₂は、それぞれ異な
る極性のDC電圧が同一タイミングで断続的に電子スイッ
チ31、32から出力されるので、同一周波数で逆相の方形
波電圧となる。

又、電圧E₃は、差動積分器35からのDC電圧E₀が電圧E
cscのタイミングで断続的に電子スイッチ36から出力さ
れることにより合成される。

このDC電圧E₀は、次のようにして合成される。

はじめに、帰還電圧E_mが入力増幅器33にて増幅され、
増幅された電圧E₄は復調器34にて半周期ごとに復調され
る。更に、復調された電圧が零でない場合に復調された
電圧の振幅及び極性の関数としてこの復調された電圧が
零に達するまで差動積分器35が出力するDC電圧E₀は変化
される。

この結果、電圧E₃はDC電圧E₀と共に差動積分器35の入
力電圧が零に達するまで変化する。これにより電圧E₃は
式（12）の関係を満足することになり、変位Ｘに正比例
し、更に比例定数は正の値となる。

＜発明の効果＞ 本発明によれば、スクリーンの変位量Ｘは、スクリー
ンが測定キャパシタに差し込まれる方向を正とすると、
この変位Ｘに正比例すると共に比例定数が正となる測定
方形波電圧E₃から検出することができる。従って、従来
例のような演算回路等の電子回路が不要となり、このよ
うな電子回路による安定度への影響や温度特性の影響を
排除することができ、安定性及び温度特性を向上し、更
にコストダウンすることができる。

又、補正キャパシタとそのキャパシタンス調整用の調
整ネジを設けたことにより、検出部の零点調整をポテン
ショメータ等の電気部品なしで行うことが可能となり、
この電気部品の安定度への影響や温度特性の影響を排除
することができ、安定性及び温度性能の向上を図ること
ができる。

特に、検出部を移動することなく、検出部側で零点調
整することができるため、機械類に取り付けて使用する
場合、一般に機械側に設けられる微動の零点調整装置を
不要とすることができる。このため、１つの電子装置に
多数の検出部を切り換え使用する場合に特に有効であ
る。

更に、基準キャパシタと補正キャパシタにキャパシタ
ンス調整用の調整ネジをそれぞれ設けたことにより、異
なる検出部を共通の電子装置に測定原点等の校正をする
ことなしに接続することができる。

又、３個の円筒状リング電極と、共通コア電極の中心
軸を、全て一致させているため、中心軸同志の距離が僅
かに変化しても測定電圧への影響を非常に小さくするこ
とができる。

更に、スクリーン、リング電極及び共通コア電極は、
いずれも中心軸が一致すると共にスピンドルの変位方向
が中心軸に一致しているので、スピンドルとスピンドル
の軸に生じるラジアル方向のガタの影響をなくすことが
できる。

又、測定方形波電圧E₃はキャパシタンスの比で構成さ
れているもので、全てのキャパシタの誘電体を同一とす
ることにより誘電率の影響を全く受けることがない。

更に、検出部内にインピーダンス変成器と放電用抵抗
を設けることにより、高感度、高精度が要求されない場
合は、電圧E₁、E₂、E₃、E_mを導く線をまとめてシールド
することができる。

又、第１乃至第３リング電極11、12、13及び共通コア
電極の材質を同一とすることにより、検出部の温度性能
の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る静電容量型測長器の検
出部の構造を示す図、 第２図は第１図における測定方形波電圧E₃と変位Ｘとの
関係を示す図、 第３図は第１図に示す検出部にインピーダンス変成器と
放電用抵抗を取り付けた状態を示す図、 第４図は本発明の実施例に係る静電容量型測長器の電子
装置の構成を示す図、 第５図は第４図における電圧の位相関係を示すタイムチ
ャート、 第６図は従来の静電容量型測長器の検出部の構造を示す
図、 第７図は従来の静電容量型測長器における測定方形波電
圧と変位との関係を示す図である。 11……第１リング電極、 12……第２リング電極、 13……第３リング電極、 14……共通コア電極、 15……スクリーン、 17,18,19……調整ネジ、 21,22,23,24……シールド、 25……スピンドル、 C₁……測定キャパシタ、 C₂……補正キャパシタ、 C₃……基準キャパシタ、 c₁、c₂、c₃……キャパシタンス、 E₁……基準方形波電圧、 E₂……補正方形波電圧、 E₃……測定方形波電圧、 E_m……帰還電圧。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一中心線上に配置された円筒状の第１乃
   至第３リング電極と、該第１乃至第３リング電極内に同
   心状に配置された円柱状の共通コア電極と、前記第１リ
   ング電極と共通コア電極との間をそれらの中心軸に沿っ
   て可動する電気的に接地されている円筒状のスクリーン
   とを備え、前記第１乃至第３リング電極と共通コア電極
   との間にそれぞれ測定キャパシタC₁、補正キャパシタC₂
   及び基準キャパシタC₃を形成し、前記第１リング電極に
   は基準方形波電圧E₁が印加され、前記第２リング電極に
   は基準方形波電圧E₁と同一周波数で逆相の補正方形波電
   圧E₂が印加され、前記第３リング電極には基準方形波電
   圧E₁と同一周波数で同相の測定方形波電圧E₃が印加さ
   れ、前記補正方形波電圧E₂と前記補正キャパシタC₂のキ
   ャパシタンスC₂のいずれか一方又は両方を調整すること
   により、前記スクリーンの変位Ｘが零のときに、このと
   きの測定キャパシタC₁のキャパシタンスc₀と基準方形波
   電圧E₁の絶対値|E₁|との積c₀|E₁|がキャパシタンスc₂と
   補正方形波電圧E₂の絶対値|E₂|との積c₂|E₂|に等しくな
   るように設定し、且つ前記スクリーンの変位により測定
   キャパシタC₁のキャパシタンスc₁が変化すると、共通コ
   ア電極に誘導される帰還電圧E_mが零となるように、電子
   装置により、一定のDC電圧と可変の測定DC電圧E₀との間
   を交互に切り換えることによって測定方形波電圧E₃を変
   化させることを特徴とする静電容量型測長器。
2. 【請求項２】インピーダンス変成器の入力側と放電用抵
   抗の一方側を前記共通コア電極に接続し、インピーダン
   ス変成器の出力側を前記電子装置に接続し、放電用抵抗
   の他方側を接地したことを特徴とする請求項１記載の静
   電容量型測長器。
3. 【請求項３】前記第１乃至第３リング電極と前記共通コ
   ア電極の材質を同一とすることを特徴とする請求項１又
   は２記載の静電容量型測長器。