JP2991800B2

JP2991800B2 - 静電容量型測長器

Info

Publication number: JP2991800B2
Application number: JP3094939A
Authority: JP
Inventors: 淳金山; 暁夫藤田
Original assignee: Kawaguchiko Seimitsu KK
Current assignee: Kawaguchiko Seimitsu KK
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2014-12-20
Also published as: JPH04305106A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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測長器に係
り、変位量と静電容量との関係が線形で、電極間の誘電
体の誘電率の変動の影響を受けない静電容量型測長器に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の静電容量型測長器として
は図１１に示すような構造を有するものがあった。図１
１に示す測長器の検出部は絶縁シート５を介して隣接配
置された円筒状のリング電極１，２と、このリング電極
１，２内に同心状に配置され、軸受８により支持されて
いるスピンドル７の外周に絶縁材のガイドブロック６を
介して取り付けられている円柱状の共通コア電極３と、
この共通コア電極３に誘起される電流を取り出すリード
線４とから構成されている。

【０００３】上記リング電極１，２と共通コア電極３と
の間にはそれぞれキャパシタＣｓ，Ｃｒが形成され、こ
のキャパシタＣｓ，Ｃｒの誘電体は同一のもの（空気）
からなる。また、上記リング電極１，２には同一周波
数、位相差が１８０°（逆相）で、しかもピーク値が等
しい一定の正弦波電圧Ｖｓ，Ｖｒがそれぞれ印加されて
いる。

【０００４】このような構成からなる測長器の検出部に
おいて、スピンドル７が移動して共通コア電極３が移動
すると、この共通コア電極３には電流ｉｍが発生し、キ
ャパシタＣｓ，Ｃｒのキャパシタンスをｃｓ，ｃｒとす
ると、数１の関係が成立する。

【０００５】

【数１】

【０００６】ここでａは正の比例定数であり、Ｖｓ＝−
Ｖｒであるので、共通コア電極３に発生する電流ｉｍは
数２で表わすことができる。

【０００７】

【数２】

【０００８】図１１中、Ｘはスピンドル７、すなわち共
通コア電極３の変位を示すものである。ここで、このス
ピンドル７がリング電極１，２内に差し込まれる方向
（図中右方向）への変位を正、抜き出される方向（図中
左方向）への変位を負とし、またｃｓ＝ｃｒのときに変
位Ｘを零と設定し、さらにこのときのキャパシタンスｃ
ｓ，ｃｒをキャパシタンスｃ₀ とすると、キャパシタン
スｃｓ，ｃｒと変位Ｘとの関係は数３，数４のようにな
る。

【０００９】

【数３】

【００１０】

【数４】

【００１１】このεはキャパシタＣｓ，Ｃｒの誘電体の
誘電率、ｂｓ，ｂｒは正の比例定数である。次に、数
３，数４を数２に代入すると、数５となる。

【００１２】

【数５】

【００１３】ここにおいて誘電率εが一定であれば電流
ｉｍは変位Ｘに正比例することになる。したがって、こ
の電流ｉｍを電子装置で変換することにより変位量Ｘを
求めることができ、従来の測長器においてはこのように
して変位量Ｘを求めて表示していた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の静
電容量型測長器は、スピンドル７の変位Ｘに比例して変
化する共通コア電極３に流れる電流ｉｍを検出すること
により機械的変位を測長するものであるが、これにはキ
ャパシタＣｓ，Ｃｒにおける誘電体の誘電率εが一定で
あることが条件とされる。すなわち、キャパシタＣｓ，
Ｃｒの誘電体は空気であり、測定環境、例えば温度や湿
度や密度（気圧）が変化すると誘電率も変化し、同一の
変位Ｘに対する電流ｉｍの値が変わってしまうことにな
る。このため、精密な測定をする場合には測定環境に合
わせて校正することが必要であった。

【００１５】また、数３，数４，数５における比例定数
ｂｓ，ｂｒはそれぞれキャパシタＣｓ，Ｃｒの電極の幾
何学的寸法、すなわちリング電極１，２の内径寸法、共
通コア電極３も外径寸法およびこれらの間隔により定ま
る定数である。したがって、このリング電極１，２の内
径および共通コア電極３の外径を厳密に同一にしなけれ
ば、同一の変位Ｘに対して同一の電流ｉｍを得ることは
できない。しかしながら、これは非常に困難であり、こ
のため各検出部に合わせて電子装置を校正することが必
要であった。

【００１６】さらに、２チャンネルの電子装置に各チャ
ンネルにそれぞれ検出部を取り付けて和差演算する場
合、上述したように各検出部に合わせて各チャンネルを
校正して使用するのことが必要であるが、このようにし
て合わせこんだチャンネルでない方のチャンネルに検出
部を接続してしまうこともあり、このまま測定を始めて
しまうと正確な測定ができないという問題点があった。

【００１７】さらに、従来の静電容量型測長器の検出部
はリング電極１，２と共通コア電極３とは円筒状または
円柱状に形成されているため、例えば上下の幅寸法（Ｙ
軸方向）はゆとりがあるものの、前後の厚さ寸法（Ｚ軸
方向）は小さい必要があるような場所に設置するような
場合には、使用できないという問題点があった。

【００１８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、温度、湿度、気圧などの測定環
境の変化の影響を受けることなく、また異なる検出部を
共通の電子装置に校正し直すことなく接続するように
し、かつ検出部の厚さ寸法を小さくできるようにした静
電容量型測長器を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る静電容量
型測長器は絶縁部材を介して隣合わせに配置され、同一
周波数で相互に逆相の基準方形波電圧が各別に印加され
る平板状の測定電極と、この平板状の測定電極に平行に
対向して測定キャパシタを形成すると共に、帰還電圧が
誘導される平板状のコア電極と、このコア電極に対向す
ることにより基準キャパシタを形成し、かつ上記基準方
形波電圧と同一周波数で、同相または逆相となる測定方
形波電圧が印加される平板状の基準電極と、機械的な変
位を伝達するスピンドルに固着され、上記測定電極とコ
ア電極との間に介挿されるスクリーンと、このスクリー
ンが上記測定キャパシタ内を移動してそのキャパシタン
スが変化すると上記コア電極に誘導される帰還電圧が零
となるように測定方形波電圧を可変する電子装置とを備
えたものである。

【００２０】

【作用】この発明における静電容量型測長器はスピンド
ルによってスクリーンが移動して測定キャパシタのキャ
パシタンスが変化すると、電子装置によりコア電極に誘
導される帰還電圧が零となるように測定キャパシタのキ
ャパシタンスと基準キャパシタのキャパシタンスとの比
で表わされる測定方形波電圧が変化させられる。この測
定方形波電圧を電圧計などで計測することにより機械的
な変位量が検出できる。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例の概略構成をを示す横
断面図、図２は正面図、図３は図２のＢ−Ｂ線断面図、
図４はスクリーンを示す平面図、図５は図４のＦ−Ｆ線
断面図で、図において、９，１０は絶縁部材、１１，１
２は絶縁部材１０を介在させて隣合わせに併設された平
板状の測定電極、１３は平板状の基準電極で、この基準
電極１３にはキャパシタンス調整用の調整ネジ１８が設
けられている。１４は平板状のコア電極で、このコア電
極１４の一面には平行に対向して測定電極１１，１２が
設けられ、またコア電極１４の他面には平行に対向して
基準電極１３が設けられている。そして、上記測定電極
１１，１２とコア電極１４との間には測定キャパシタＣ
₁ ，Ｃ ₂ が形成され、また基準電極１３とコア電極１４
との間には基準キャパシタＣ₃が形成される。Ｃ₁ ，Ｃ₂
は差動キャパシタの構成となっている。１５は軸受２
０に摺動自在に支持されたスピンドル７に固定された窓
孔１５ａを有するスクリーンで、このスクリーン１５は
スピンドル７の移動により測定電極１１，１２とコア電
極１４との間に介挿配置される。このスクリーン１５は
スピンドル７を介して電気的に接地され、かつコア電極
１４に沿って平行に移動する。１６はスクリーン１５に
取り付けられたガイド棒、１７はガイド棒１６の摺動を
案内するガイド溝１７ａを有するガイド部材、１９は絶
縁部材である。なお、測定電極１１，１２、基準電極１
３、コア電極１４およびスクリーン１５は部品の熱膨張
や温度変化によるキャパシタンスのアンバランスを防止
し、検出部の温度性能を向上させるために同一材質で構
成する。

【００２２】上記測定キャパシタＣ₁ ，Ｃ₂ および基準
キャパシタＣ₃ は同じ誘電体（空気）で構成されてい
て、測定電極１１，１１および基準電極１３にはそれぞ
れ基準方形波電圧Ｅ₁ ，Ｅ₂ および測定方形波電圧Ｅ₃
が印加される。また、基準方形波電圧Ｅ₁ と基準方形波
電圧Ｅ₂ とは同一周波数で位相差が１８０゜（逆相）の
方形波電圧であり、測定方形波電圧Ｅ₃ は基準方形波電
圧Ｅ₁ またはＥ₂ と同一周波数で同相の方形波電圧に設
定されている（この実施例では測定方形波電圧Ｅ₃ は基
準方形波電圧Ｅ₁ と同相の方形波となっている）。さら
に、基準方形波電圧Ｅ₁，Ｅ₂ は一定の変化しない電圧
で、測定方形波電圧Ｅ₃ は後述する電子装置により可変
される電圧である。

【００２３】スクリーン１５の変位Ｘが零のときの測定
キャパシタＣ₁ ，Ｃ₂ のキャパシタンスをｃ₁₀ ，ｃ₂₀
とすると、ｃ₁₀ Ｅ₁ ＋ｃ₂₀ Ｅ₂＝０の関係が成立す
るように基準方形波電圧Ｅ₁ またはＥ₂ の調整が可能で
ある。

【００２４】スクリーン１５がスピンドル７と共に移動
して測定キャパシタＣ₁ のキャパシタンスｃ₁ および測
定キャパシタＣ₂ のキャパシタンスｃ₂ が変化すると、
後述する電子装置によりコア電極１４に誘導される帰還
電圧Ｅｍが零となるように測定方形波電圧Ｅ₃が変化さ
せられる。なお、測定方形波電圧Ｅ₃ はスピンドル７の
変位Ｘに正比例する。

【００２５】測定方形波電圧Ｅ₃ は一定の直流電圧と可
変の直流電圧Ｅ₀ （このＥ₀ は変位Ｘに正比例）との間
を交互に切り換えることによって発生させる。

【００２６】次に静電容量型測長器における変位Ｘと測
定方形波電圧Ｅ₃との変化が線形で、しかも比例する関
係にあることを説明する。スピンドル７が移動し、これ
によりスクリーン１５が移動すると、測定キャパシタＣ
₁，Ｃ₂ のキャパシタンスｃ₁ ，ｃ₂ が変化する。この
とき電子装置が働きコア電極１４に誘導される交流電圧
が零となるように測定方形波電圧Ｅ₃ が変化させられ
る。すなわち、測定キャパシタＣ₁ ，Ｃ₂ 、基準キャパ
シタＣ₃ に流れる電流をそれぞれｉ₁，ｉ₂，ｉ₃とすれ
ば、数６を満足するように測定方形波電圧Ｅ₃ は変化さ
せられる。

【００２７】

【数６】

【００２８】測定キャパシタＣ₁ ，Ｃ₂ と基準キャパシ
タＣ₃ のキャパシタンスをそれぞれｃ₁ ，ｃ₂ ，ｃ₃ と
すると、数６はｃ₁ Ｅ₁ ＋ｃ₂ Ｅ₂ ＋ｃ₃ Ｅ₃ ＝０
のように表わせる。したがって、測定方形波電圧Ｅ₃ は
数７のようになる。

【００２９】

【数７】

【００３０】スピンドル７が検出部内に押し込まれる方
向を正として変位Ｘを表わし、Ｘ＝０の測定キャパシタ
Ｃ₁ ，Ｃ₂ のキャパシタンスをｃ₁₀ ，ｃ₂₀ とすると、
キャパシタンスｃ₁，ｃ₂ は数８で表わせる。

【００３１】

【数８】

【００３２】ここで、ｂ₁，ｂ₂ は電極の幾何学的寸法
およびキャパシタＣ₀ を電極間の誘電体の誘電率で割っ
た商ｃ₀／εによって定まる正の定数である。数７に数
８を代入すると、数９となる。すなわち、

【００３３】

【数９】

【００３４】あらかじめ、Ｘ＝０のとき、ｃ₁₀ Ｅ₁ ＋
ｃ₂₀ Ｅ₂ ＝０になるように基準方形波電圧Ｅ₁ または
Ｅ₂ を調整しておけば、数９は数１０となり、

【００３５】

【数１０】

【００３６】測定方形波電圧Ｅ₃ は変位Ｘに比例し、比
例定数αは数１１となる。

【００３７】

【数１１】

【００３８】数１０において測定方形波電圧Ｅ₃ はｃ₁₀
／ｃ₃ というキャパシタンスの比で構成されているの
で、測定キャパシタＣ₁ ，Ｃ₂ 、基準キャパシタＣ₃ が
同一誘電体で構成されていれば、誘電率εの影響は全く
受けない。また、基準キャパシタＣ₃ のキャパシタンス
ｃ₃ は調整ネジ１８により調整が行われる。どの検出部
もキャパシタンスｃ₃ の調整により比例定数αを同一の
値とすることができ、異なる検出部を共通の電子装置に
校正し直すことなく接続することができる。

【００３９】また、スクリーン１５はその中心軸がスピ
ンドル７の中心軸とほぼ一致するようにスピンドル７に
固定されていて、スピンドル７が移動すると、スクリー
ン１５もスピンドル７の中心軸と同軸上を移動する。

【００４０】図６は検出部に電圧を印加する電子装置の
回路構成を示すブロック図、図７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。図において、３０は
基準となる方形波電圧Ｅosc を出力する発振器で、この
発振器３０は水晶式あるいはＣＲ式のいずれでも良い
が、水晶式の場合には一般に高周波となるため分周器を
用いて希望の周波数を得るようにする。発振器３０の出
力電圧Ｅosc によって制御される電子スイッチ３１で直
流電圧Ｅｒと接地レベルとの間を切り替えることにより
図７に示す基準方形波電圧Ｅ₁ を得ていて、発振器３０
の出力電圧Ｅoscにより制御される電子スイッチ３２で
直流電圧−Ｅｒと接地レベルとの間を切り替えることに
よって図７に示す基準方形波電圧Ｅ₂ を得ている。

【００４１】図７に示すＥ₄ は帰還電圧ＥｍまたはＥ
ｍ′を入力増幅器３３により増幅した交流電圧で、この
交流電圧Ｅ₄ は方形波電圧Ｅosc の半周期ごと（ｔ₁₁，
ｔ₁₂，ｔ₁₃ およびｔ₂₁，ｔ₂₂，ｔ₂₃……）に復調器３
４によって復調され、差動積分器３５に入力される。復
調された信号が零と異なると、差動積分器３５の出力直
流電圧Ｅ₀ は復調された電圧の振幅および極性の関数と
して差動積分器３５への入力が零に達するまで変化す
る。

【００４２】測定方形波電圧Ｅ₃ は出力直流電圧Ｅ₀ と
一定電圧（図７では接地レベル）との間を発振器３０の
出力電圧Ｅosc で電子スイッチ３６を切り替えることに
より得られる。したがって、出力直流電圧Ｅ₀ と同様に
測定方形波電圧Ｅ₃ も差動積分器３５への入力が零に達
するまで変化する。このようにして得られた測定方形波
電圧Ｅ₃ は前述したようにスクリーン１５の変位に比例
する。

【００４３】また、出力直流電圧Ｅ₀ には望ましくない
結合および時間遅延により過渡状態が現われ、この過渡
状態は方形波の切り替え点（側面）で発生し、ある時間
後に減衰する。この過渡状態は出力直流電圧Ｅ₀ の安定
性を低下させて測定方形波電圧Ｅ₃ の安定性を低下さ
せ、測長器の指示の安定性を低下させる。このため、安
定度を非常に必要とする測長器では過渡状態の影響をな
くす配慮が必要である。この過渡状態は入力増幅器３３
と復調器３４との間に過渡抑制器を設けることにより取
り除くことができ安定度の良い測定方形波電圧Ｅ₃ を得
ることができる。

【００４４】図８は過渡抑制器を設けた場合の検出部に
電圧を印加する電子装置の回路構成を示すブロック図、
図９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。基準方形波電圧Ｅ₁ は直流電圧Ｅｒと接地レベル
との間を出力電圧Ｅosc 、時間遅延回路３７および周波
数を１／２に分周する周波数分周回路３８で制御される
電子スイッチ３１により切り替えることによって得てい
る。補正方形波電圧Ｅ₂ は直流電圧−Ｅｒと接地レベル
との間を出力電圧Ｅosc 、時間遅延回路３７および周波
数を１／２に分周する周波数分周回路３８で制御される
電子スイッチ３２により得ている。

【００４５】過渡抑制器３９は最も簡単な場合、電子ス
イッチで、発振器３０のクロック信号である出力電圧Ｅ
osc の一周期ごとに過渡状態でない部分（ｔ₀₁〜ｔ₀₂，
ｔ₁₁〜ｔ₁₂，ｔ₂₁〜ｔ₂₂，…）のみを通過させる。この
過渡状態のない信号が復調器３４に入力され、出力電圧
Ｅosc の一周期ごと（ｔ₀，ｔ₂，ｔ₄，… およびｔ₁，
ｔ₃，ｔ₅ …）に復調され、差動積分器３５に入力され
る。復調された信号が零と異なると、差動積分器３５の
出力直流電圧Ｅ₀ は復調された電圧の振幅および極性の
関数として差動積分器３５への入力が零に達するまで変
化する。

【００４６】測定方形波電圧Ｅ₃ は出力直流電圧Ｅ₀ と
一定電圧（図８では接地レベル）との間を出力電圧Ｅos
c 、時間遅延回路３７および周波数を１／２に分周する
周波数分周回路３８で制御される電子スイッチ３６によ
り得られる。したがって、出力直流電圧Ｅ₀ と同様に測
定方形波電圧Ｅ₃ も差動積分器３５への入力が零に達す
るまで変化する。このようにして得られた測定方形波電
圧Ｅ₃ はスクリーン１５の変位に比例し、かつ交流電圧
Ｅ₄ の過渡状態の影響を全く受けない。

【００４７】基本的にはコア電極１４に誘導される帰還
電圧Ｅｍは励起用方形波電圧Ｅ₁，Ｅ₂，Ｅ₃ の影響を受
けないようにする必要があり、また励起用方形波電圧Ｅ
₁，Ｅ₂，Ｅ₃ も互いに影響しあわないようにする必要が
ある。そのため、検出部と電子装置とを結ぶ線２１，２
２，２３，２４はシールドされている。検出部内に補正
キャパシタ、基準キャパシタを配置した場合は、帰還電
圧Ｅｍの導かれる線２４のシールドの簡略化は次に述べ
る方法で可能となる。検出部内において図１０に示すよ
うにコア電極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、放電用抵抗２７の
他方側は接地し、インピーダンス変成器２６の出力側は
電子装置の入力増幅器３３に接続する。これによりイン
ピーダンス変成器２６と入力増幅器３３との間のインピ
ーダンスを小さくすることができ、シールドを簡略化で
き、高感度・高精度を要求されない場合には励起用方形
波電圧Ｅ₁，Ｅ₂，Ｅ₃，Ｅｍ′の導かれる線２１，２
２，２３，２４をまとめてシールドすることができる。
しかし、高精度・高感度を要求される場合にはＥ₁，
Ｅ₂，Ｅ₃，Ｅｍ′の導かれる線２１，２２，２３，２４
の一本ずつのシールドを併用することにより、さらに安
定したものとすることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、同一周
波数で相互に逆相の基準方形波電圧が印加されると共
に、帰還電圧が誘導される平板状のコア電極に対向して
測定キャパシタを形成する一対の平板状の測定電極を絶
縁部材を介して隣合わせに配置し、上記基準方形波電圧
と同一周波数で、同相または逆相となる測定方形波電圧
が印加される平板状の基準電極に上記コア電極を対向し
て基準キャパシタを形成し、スクリーン１５が移動して
上記測定キャパシタのキャパシタが変化すると、上記帰
還電圧が零となるように測定方形波電圧が電子装置によ
り変化させられ、これを電圧計などで計測して機械的な
変位量を検出するように構成したので、測定環境の変化
の影響を受けることなく、また異なる検出部を共通の電
子装置に校正し直すことなく接続するようにし、かつ検
出部の厚さ寸法を小さくするなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る静電容量型測長器の検出部の一
実施例を示し、図２のＡ−Ａ線断面図である。

【図２】同じく静電容量型測長器の一実施例を示す正面
図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】スクリーンを示す平面図である。

【図５】図４のＦ−Ｆ線断面図である。

【図６】この発明の静電容量型測長器の電子装置の一例
を示すブロック構成図である。

【図７】図６の位相関係を示すタイムチャートである。

【図８】この発明の静電容量型測長器の電子装置の他の
例を示すブロック構成図である。

【図９】図８の位相関係を示すタイムチャートである。

【図１０】検出部にインピーダンス変成器と放電用抵抗
を取り付けた回路図である。

【図１１】従来の静電容量型測長器の一例を示す横断面
図である。

【符号の説明】

７スピンドル１１，１２測定電極１３基準電極１４コア電極１５スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁部材を介して隣合わせに配置され、
同一周波数で相互に逆相の基準方形波電圧が各別に印加
される平板状の測定電極と、この平板状の測定電極に平
行に対向して測定キャパシタを形成すると共に、帰還電
圧が誘導される平板状のコア電極と、このコア電極に対
向することにより基準キャパシタを形成し、かつ上記基
準方形波電圧と同一周波数で、同相または逆相となる測
定方形波電圧が印加される平板状の基準電極と、機械的
な変位を伝達するスピンドルに固着され、上記測定電極
とコア電極との間に介挿されるスクリーンと、このスク
リーンが上記測定キャパシタ内を移動してそのキャパシ
タンスが変化すると上記コア電極に誘導される帰還電圧
が零となるように測定方形波電圧を可変する電子装置と
を備え、上記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際の機械的な変位量と静電容量との
関係が線形であることを特徴とする静電容量型測長器。