JP3352619B2

JP3352619B2 - 距離測定用ｉｃ

Info

Publication number: JP3352619B2
Application number: JP00485298A
Authority: JP
Inventors: 則男赤松; 秀司金岡
Original assignee: Japan System Devolpment Co Ltd
Current assignee: Japan System Devolpment Co Ltd
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 2002-12-03
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: JPH11201708A; CN1271496C; CN1223399A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属等の導電性物
質に対する位置を検出する距離測定用のＩＣ（Integrat
ed Circuit）に関する。導電性物質に対する位置を検出
する技術は、多くの産業機械に用いられている。従っ
て、本発明の距離測定用ＩＣは産業全体で広く利用され
る技術である。本発明の距離測定用ＩＣを用いてロボッ
ト・アームの位置を計測すると、高精度にアームを制御
することが可能になる。従って、ロボットを用いる全て
の製造工程において、本発明の距離測定用ＩＣを適用す
る事が可能である。さらに、本発明の距離測定用ＩＣを
位置検出器の内部に格納すると、高精度に圧力を検出す
ることも実現できる。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電子回路は集中回路と分布回路
に分けられる。集中回路は常微分方程式で記述され、分
布回路は偏微分方程式で記述される。従って、集中回路
と分布回路の数学的な(mathematical)取扱いは全く異な
る。従来の距離測定装置のほとんど全ては集中回路であ
る。本発明の距離測定用ＩＣは、分布回路を利用する。

【０００３】集中回路であるならば、回路のインダクタ
ンス、キャパシタンスおよび抵抗は一定であり、周波数
などが変化してもそれらの値は変化しない。ところが、
分布回路においては、周波数が高くなると、キャパシタ
ンスが等価的に変化する場合や、インダクタンスが等価
的に変化する場合がある。本発明は、分布回路の回路パ
ラメータの変化を利用した距離測定用ＩＣである。本発
明者は、本発明の距離測定用ＩＣ以外に、分布回路を利
用した距離測定装置を見いだしていない。

【０００４】距離を測定するための距離測定装置は、光
学的デバイスを利用する方式と電気磁気的デバイスを利
用する方式がある。本発明に最も近い従来の距離測定装
置は、電気磁気的に位置を検出する方法である。電気磁
気的に位置を検出するには、電磁誘導を用いる方法と静
電結合を用いる方法がある。それらは集中回路で構成さ
れる。本発明の距離測定用ＩＣは分布回路を応用する。
従って、本発明の距離測定用ＩＣは本質的に従来の方法
と異なる。従来の距離測定装置を以下に示す。

【０００５】従来の電気磁気的な距離測定装置は、３次
元状に線を巻いたインダクタを用いる。通常では、フェ
ライトなどの磁性物質の周りに銅線を巻いてインダクタ
を構成する。３次元状に分布するインダクタを用いた距
離測定装置の例を図１に示す。磁性材料２１にコイルを
巻くことにより３次元状のインダクタを構成する。コイ
ルには交流の電流を流す。フェライト２２が３次元状の
インダクタに接近すると、巻き線コイルに流れる電流が
変化する。この電流変化を測定することにより、フェラ
イト２２と磁性材料２１の距離を測定する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】巻線コイルを用いて磁
気的に距離を測定する距離測定装置には、次に記述する
欠点がある。

【０００７】（１）コイルに電流を流して磁束をつくる
ために、消費電力が多くなり、電源装置が大きくなる。（２）コイルに流れる電流が多いので、発熱量も多くな
る。（３）磁束が周辺に漏れて、ノイズが発生する。（４）導線をコイル状に巻く工程が必要となり、コスト
が高くなる。（５）導線をコイル状に巻くので、小型化ができない。（６）フェライトなどの磁性物質を使用して磁気回路を
構成するので、測定精度を向上させることができない。（７）利用できる周波数が低いので、高速の測定にも適
さない。

【０００８】本発明の距離測定用ＩＣでは、２次元状に
分布する平面状インダクタに周期的に変化する交流電流
を流す。一般的に、２次元状に分布する平面状インダク
タには、メアンダ型とスパイラル型がある。図２は、絶
縁物質３の表面上にメアンダ型の２次元状に分布する平
面状インダクタ１を配置する例を示す。２次元状に分布
する平面状インダクタ１は、銅などの導電物質を用いて
作られる。絶縁物質３は通常、紙・フェノール、ガラス
・エポキシなどのプリント基板材料で作られる。

【０００９】図３には、絶縁物質３の表面上にスパイラ
ル型の２次元状に分布する平面状インダクタ１を配置す
る例を示す。本発明の距離測定用ＩＣに用いられる平面
状インダクタには、非常に高い周波数の電流が流れる。
通常は、３０ＭＨｚから１，０００ＭＨｚの高周波を用
いる。周波数が非常に高くなると、導体に流れる電流は
導体の表面に流れて、内部には流れない。この現象を表
皮効果(skin effect)と言う。高速に距離を測定するに
は、高い周波数を用いるので、表皮効果によって、平面
状インダクタの表面付近に発生する現象のみが利用可能
である。以下には、２次元状に分布する平面状インダク
タの表面に導電性物質が接近する場合と、３次元状に分
布するインダクタの表面に導電性物質が接近する場合を
比較する。

【００１０】３次元状に分布するインダクタの全ての表
面に導電性物質を接近させる方法を用いて距離を測定す
る装置は、極めて複雑な構造になる。従って、３次元状
に分布するインダクタにおいては、６個の表面の中で利
用可能な表面は１面だけであり、他の表面にあるインダ
クタのインダクタンスを変化させることはできない。し
かし、２次元状に分布する平面状インダクタの表面に導
電性物質を接近させることは、簡単な構造を用いて実現
される。導電性物質と平面状インダクタの距離が減少す
ると、両者は静電気的に結合する。３次元状に分布する
インダクタの表面に発生する静電気的結合の全てを有効
に利用することはできない。しかし、２次元状に分布す
る平面状インダクタの表面に発生する静電気的結合の全
てを有効に利用することは可能である。電気磁気的に誘
導された電流の打ち消し作用により、インダクタのイン
ダクタンスが低下する。３次元状に分布するインダクタ
のインダクタンスの変化率は、２次元状に分布する平面
状インダクタのインダクタンスのそれよりも低い。故
に、２次元状に分布する平面状インダクタを用いて距離
を測定すると、３次元状に分布するインダクタを用いる
よりも良好な感度が得られる。結論として、測定時間を
短くするためには、高い周波数の電流を２次元状に分布
する平面状インダクタに流し、その表面に発生する静電
気的な誘導を有効に利用することによって、高感度の距
離測定用ＩＣが実現される。

【００１１】光学的デバイスを利用する方式として、レ
ーザなどを用いて光学的に位置を検出する方法もある
が、本発明は電気磁気的に距離を測定する装置であり、
光学的な技術を用いていない。光学的デバイスを利用す
る距離測定装置は次に記述する欠点がある。

【００１２】（１）発光素子と受光素子を必要とするの
で、消費電力が多くなる。（２）発光素子と受光素子を必要とするので、構造が複
雑になり、小型の装置を製作することが困難である。（３）安価なシリコンを用いて発光素子と受光素子を製
作することができないので、価格が高くなる。（４）発光素子から出た光線を受光素子に完全に当てる
必要があるので、調整が難しい。

【００１３】３次元状に分布するインダクタを用いる距
離測定装置においては、インダクタに流れる電流により
発生する磁力線を利用する。３次元状に分布するインダ
クタに導電性物質が接近すると、発生した磁力線が導電
性物質を貫いて電磁誘導現象により、導電性物質に渦電
流が流れる。この現象により、３次元状に分布するイン
ダクタと導電性物質は電気磁気的に結合する。電気磁気
的な結合の強さは、３次元状に分布するインダクタと導
電性物質の距離に反比例する。発生した電磁結合の強さ
は、インダクタに流れる電流を検出することにより測定
される。従って、インダクタに流れる電流の測定結果か
ら、３次元状に分布するインダクタと導電性物質の間の
距離を測定する。故に、３次元状に分布するインダクタ
が距離測定用ＩＣとして利用できるのは、発生する磁力
線である。結果的には、３次元状に分布するインダクタ
を用いると、距離測定装置として利用できるのは磁力線
が向かう１個の平面であり、他の平面を利用することは
できない。従って、距離測定装置の感度を増加するに
は、強い磁力線を発生させるために大きい電流が必要で
ある。ところが、大きな電流を流すと、消費電力が多く
なる。消費電力が多くなると、以下に記述する欠点があ
る。

【００１４】（１）電源を大きくする必要がある。（２）消費電力が多くなると、発熱量も多くなるので、
温度が高くなり、周辺にある電子回路が正常に働かない
場合がある。（３）強い磁力線を利用すると、周辺にノイズを発生し
て周辺機器に悪い影響を与える。

【００１５】以上の考察により、高精度の距離測定装置
を作るには、インダクタに流す電流を少なくして、感度
を上げる必要がある。このためには電流を多く必要とす
る電磁結合を用いるよりも、静電結合を用いる方が電流
が少ないので、性能が良好になる。すなわち、距離を測
定するインダクタと導電性物質を静電的に結合する。静
電結合を最大にするために、距離を測定するためのイン
ダクタを２次元状の構造にする。２次元状に分布する平
面状インダクタに導電性物質を接近させると、静電結合
が最大になるので、距離を測定する平面状インダクタの
感度が増加し、消費電力が最小になる。２次元状に分布
する平面状インダクタと導電性物質が静電的に結合する
と、２次元状に分布する平面状インダクタの導体部と導
電性物質は等価的にキャパシタとなる。すなわち、２次
元状に分布する平面状インダクタの導体部は分布キャパ
シタの一方の電極となり、他方の電極は導電性物質にな
る。一般的に、回路に流れる電流の周波数が高くなる
と、キャパシタに流れる電流は増加するが、平面状イン
ダクタに流れる電流は減少する。２次元状に分布する平
面状インダクタと導電性物質の距離が短くなると、分布
キャパシタの容量は増加するので、２次元状に分布する
平面状インダクタのインダクタンスが等価的に減少す
る。すなわち、インダクタンスが減少するので、発振器
に流れる電流の周波数は増加する。故に、周波数の変化
を検出すれば、２次元状に分布する平面状インダクタと
導電性物質の距離の変化を測定することが可能になる。

【００１６】距離を測定する装置はロボットや機械装置
に内装して多く使用される。以下には、距離測定装置が
具備すべき条件を記述する。（１）構造が簡単であること。（２）安価であること。（３）取付スペースが限定されているので、小型で軽量
であること。（４）測定感度が良好であること。（５）高速に測定することが可能であること。（６）集積回路化が可能であること。（７）距離測定用ＩＣから発生するノイズが少ないこ
と。（８）消費電力が少ないこと。本発明は、以上の条件を満たす距離測定用ＩＣを実現す
ることを目的として開発されたものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の距離測定用ＩＣ
は、前述の目的を達成するために下記の構成を備える。
距離測定用ＩＣは、パッケージに内蔵している発振器９
と、この発振器９を内蔵しているパッケージに配設され
ると共に、発振器９に接続されて発振器９の発振周波数
を特定する平面状インダクタ１とを備える。ＩＣのパッ
ケージ表面に導電性物質１０が接近すると、平面状イン
ダクタ１によって、発振器９の発振周波数が変化する。
発振周波数を検出して、導電性物質１０の接近距離を検
出することができる。導電性物質１０は、主として金属
であるが、本発明の距離測定用ＩＣは、金属でない導電
性物質、たとえば、導電性の液体等の接近距離を測定す
ることもできる。

【００１８】本発明の距離測定用ＩＣは、発振器９の発
振周波数を３０ＭＨｚ以上としている。発振周波数は、
たとえば、３０〜１０００ＭＨｚの範囲に設定される。

【００１９】本発明の請求項３の距離測定用ＩＣは、発
振器９を、オペアンプとキャパシタと平面状インダクタ
１とで構成している。

【００２０】本発明の請求項４の距離測定用ＩＣは、発
振器９の発振周波数を検出してデジタル信号を出力する
周波数カウンタ７をパッケージに内蔵している。

【００２１】

【作用】３次元状に分布するインダクタを用いる従来の
距離測定装置と、２次元状に分布する平面状インダクタ
をＩＣのパッケージの上面に設けている本発明の距離測
定用ＩＣを比較すると、本発明の距離測定用ＩＣは以下
の特徴がある。

【００２２】（１）本発明の距離測定用ＩＣに装備され
る平面状インダクタは、印刷技術を用いて製作すること
ができる。このため、安価に多量生産できる。３次元状
に分布するインダクタを製作するには、導線を巻く工程
を必要とするので、製造コストが高くなる。（２）２次元状に分布する平面状インダクタは平面上に
あるので、小型になって、ＩＣのパッケージの上面に薄
く配設できる。このため、距離測定用ＩＣの全体を小さ
くできる。３次元状に分布するインダクタは小型にする
のが難しい。

【００２３】（３）２次元状に分布する平面状インダク
タは平面上にあるので、静電誘導を最大限に利用するこ
とができる。従って、消費電力を小さくすることができ
る。３次元状に分布するインダクタは、静電結合を利用
することができる面積が狭いので、電磁誘導を利用す
る。従って、消費電力が大きくなる。（４）実際には、金属などの導電性物質は産業機械に多
く用いられているので、本発明の距離測定用ＩＣを広範
囲に適用して距離を測定することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明
の技術思想を具体化するための距離測定用ＩＣを例示す
るものであって、本発明は距離測定用ＩＣを下記のもの
に特定しない。

【００２５】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決す
るための手段の欄」に示される部材に付記している。た
だ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に
特定するものでは決してない。

【００２６】本発明の距離測定用ＩＣでは、平面状イン
ダクタのインダクタンスＬが小さい場合でも測定感度は
良好である。小さいインダクタンスの２次元状に分布す
る平面状インダクタは、ＩＣのパッケージの上面に配置
している。本発明の距離測定用ＩＣの特徴の１つは、２
次元状に分布する平面状インダクタを集積回路のパッケ
ージの上部に配置することである。

【００２７】図４には、集積回路２の上表面の絶縁物質
に配置された平面状インダクタ１を示す。この図の集積
回路２は、プラスティックやセラミックなどのパッケー
ジで覆われている。これらの絶縁物質の上に、２次元状
に分布する平面状インダクタ１を配置している。ＩＣの
ピン１２には、２次元状に分布する平面状インダクタ１
の端子が接続されている。本明細書において、メアンダ
型の平面状インダクタに流れる電流を説明するために、
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図４に示すように決める。

【００２８】図５には、集積回路２の上表面に絶縁物質
３を配置し、その上に２次元状に分布する平面状インダ
クタ１を配置する距離測定用ＩＣを示す。２次元状に分
布する平面状インダクタ１に導電性物質１０が接近する
場合を示す。導電性物質１０と２次元状に分布する平面
状インダクタ１の距離をｄとする。導電性物質１０が２
次元状に分布する平面状インダクタ１に接近すると、平
面状インダクタ１に流れる電流が変化する。この電流の
変化を発振器の周波数に変換し、周波数を計測して、導
電性物質１０と２次元状に分布する平面状インダクタ１
の間の距離を測定する事が可能になる。

【００２９】図６には、導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１の距離ｄが大きい場合に発生
する静電誘導を示す。図６には、Ｙ軸方向の断面図を示
し、図６と図５は上下が逆になって示されている。図６
には、電流によって発生する磁力線を実線の矢印で、静
電誘導を破線で示している。２次元状に分布する平面状
インダクタ１に流れる電流は少ないので、発生する磁力
線は少ない。２次元状に分布する平面状インダクタ１に
電流を流すと、導電性物質１０の表面に静電誘導が生じ
る。図６に示すように、距離ｄが大きい場合には、静電
誘導の効果が弱いので、導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１の間に発生する分布キャパシ
タ１１のキャパシタンスの値は小さい。２次元状に分布
する平面状インダクタ１に流れる電流によって磁力線が
発生するが、距離ｄが大きいので、電気磁気的な結合は
弱い。

【００３０】図７には、導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１の距離ｄが短い場合に発生す
る静電誘導を示す。この図においても、磁力線を実線で
示し、静電誘導を破線で示している。図７に示すよう
に、距離ｄが短くなると、２次元状に分布する平面状イ
ンダクタ１と導電性物質１０は静電誘導的に強く結合す
る。静電誘導が強くなるので、導電性物質１０と２次元
状に分布する平面状インダクタ１の間に発生する分布キ
ャパシタ１１のキャパシタンスの値が大きくなる。

【００３１】図８には、導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１の間に発生する分布キャパシ
タ１１を示す。２次元状に分布する平面状インダクタ１
に電流が流れる方向をＸ軸とし、Ｘ軸方向への断面を図
８に示す。絶縁物質３の上には、２次元状に分布する平
面状インダクタ１があり、それには電圧が加えられてい
るので、電荷が発生している。発生した電荷をプラスと
マイナスの記号で表す。導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１の間の距離ｄが短くなると、
静電誘導の効果が強くなり、導電性物質１０と２次元状
に分布する平面状インダクタ１の間に発生する分布キャ
パシタ１１のキャパシタンスの値が大きくなる。従っ
て、静電誘導の効果により、導電性物質１０には、２次
元状に分布する平面状インダクタ１と符号が異なる電荷
が出現する。導電性物質１０の中に誘導された電荷をプ
ラスとマイナスの記号で表す。

【００３２】図９には、導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１のＸ軸方向の断面を示す。絶
縁物質３の上には、２次元状に分布する平面状インダク
タ１があり、それには電流ｉが流れている。静電誘導の
効果により、導電性物質１０には、２次元状に分布する
平面状インダクタ１と符号が異なる電荷が出現する。誘
導された電荷によって流れる電流をＩで示す。電流Ｉが
流れる方向と電流ｉが流れる方向は逆向きである。距離
ｄが小さくなると、導電性物質１０に流れる電流Ｉは大
きくなる。２次元状に分布する平面状インダクタ１に流
れる電流ｉは空間に磁力線を発生し、発生した磁力線が
電流ｉと電磁気的に結合することにより、自己インダク
タンスを形成する。自己インダクタンスが、２次元状に
分布する平面状インダクタ１のインダクタンスＬに対応
する。

【００３３】ところが一方、導電性物質１０に流れる電
流Ｉも空間に磁力線を発生する。電流Ｉの方向と電流ｉ
の方向は逆向きであるので、電流Ｉが発生する磁力線の
方向は、電流ｉが発生する磁力線の方向の逆である。従
って、電流ｉが発生する磁力線は、電流Ｉが発生する磁
力線によって打ち消されて、小さくなる。故に、導電性
物質１０が２次元状に分布する平面状インダクタ１に接
近することにより、２次元状に分布する平面状インダク
タ１のインダクタンスＬが等価的に減少する。

【００３４】すなわち、導電性物質１０と２次元状に分
布する平面状インダクタ１の間の距離ｄが小さくなる
と、インダクタンスＬが等価的に減少する。逆に、距離
ｄが増加すると、インダクタンスＬも等価的に増加す
る。故に、インダクタンスＬの変化を発振器の周波数の
変化として測定すると、距離ｄの変化を計測することが
可能になる。本発明の距離測定用ＩＣにおいては、イン
ダクタンスＬが変化すると、発振器の周波数ｆも変化す
るので、周波数カウンタを用いて周波数ｆを測定するこ
とにより、２次元状に分布する平面状インダクタ１と導
電性物質１０の間の距離ｄを計測することが可能にな
る。

【００３５】一般的に、電気回路に流れる電流の周波数
が高くなると、インダクタに流れる電流が減少し、キャ
パシタに流れる電流は増加する。本発明の距離測定用Ｉ
Ｃには、２次元状に分布する平面状インダクタ１を用い
る。従って、導電性物質１０が上記の平面状インダクタ
１に接近すると、上記の導電性物質１０と上記の平面状
インダクタ１は静電気的に結合する。図８に示すよう
に、上記の平面状インダクタ１は分布キャパシタ１１の
一方の電極となり、導電性物質１０は分布キャパシタ１
１の他方の電極となることにより、両者は静電気的に結
合する。従って、図９に示すように、導電性物質１０と
平面状インダクタ１の間の距離が短くなると、分布キャ
パシタ１１のキャパシタンスが増加する。従って、回路
に流れる電流の周波数が高い場合には、分布キャパシタ
１１を経由して導電性物質１０に流れる電流が多くな
る。導電性物質１０に流れる電流によって発生する磁束
と、平面状インダクタ１に流れる電流によって発生する
磁束が電気磁気的に結合し、互いに打ち消す。故に、２
次元状に分布する平面状インダクタ１のインダクタンス
は等価的に減少する。２次元状に分布する平面状インダ
クタ１のインダクタンスＬと集中型キャパシタのキャパ
シタンスＣによって決定される発振器の周波数ｆは次式
によって表される。ｆ×ｆ×Ｌ×Ｃ＝（１／２π）×（１／２π）（１）（１）式に基づくと、平面状インダクタ１のインダクタ
ンスＬが減少すれば、発振器の周波数ｆは増加する。発
振器の周波数ｆは周波数カウンタを用いて測定すること
が可能である。導電性物質１０が２次元状に分布する平
面状インダクタ１に接近して、両者の間の距離が減少す
ると、分布キャパシタ１１のキャパシタンスが増加する
ので、導電性物質１０に流れる電流が増加する。従っ
て、電磁結合の強さも増加する。それらのキャンセル効
果によって、２次元状に分布する平面状インダクタ１の
インダクタンスＬが等価的に減少する。従って、発振器
の周波数ｆの変化を測定すると、導電性物質１０と２次
元状に分布する平面状インダクタ１の間の距離の変化を
測定することができる。

【００３６】図１０には、集積回路２のＹ軸断面を示
す。集積回路２の下部にはＩＣのピン１２があり、通常
はＩＣのピン１２がプリント基板に装着される。集積回
路２の上部には、２次元状に分布する平面状インダクタ
１を配置する。２次元状に分布する平面状インダクタ１
は絶縁物質３で被覆されている。この図に示す平面状イ
ンダクタ１は絶縁物質３でコーティングされているの
で、導電性物質１０が平面状インダクタ１に接近しても
導電性物質１０が平面状インダクタ１に直接的に接触す
ることはない。絶縁物質３は薄いので、導電性物質１０
が２次元状に分布する平面状インダクタ１に接近する
と、絶縁物質３が無い場合と殆ど同じ電気磁気的な現象
が発生する。従って、本発明においては、２次元状に分
布する平面状インダクタ１が絶縁物質３で被覆されてい
る場合も含む。

【００３７】次に、導電性物質１０が２次元状に分布す
る平面状インダクタ１に平行に移動する場合を考察す
る。図１１に示すように、導電性物質１０が２次元状に
分布する平面状インダクタ１に対してＹ軸方向に平行移
動すると、２次元状に分布する平面状インダクタ１と導
電性物質１０が重なる面積が変化する。２次元状に分布
する平面状インダクタ１と導電性物質１０が重なる領域
Ｓにおいては、平面状インダクタ１と導電性物質１０は
静電気的に結合する。従って、重なり領域Ｓには分布キ
ャパシタ１１が発生し、平面状インダクタ１と導電性物
質１０に電流が流れて、電気磁気的に結合するので、２
次元状に分布する平面状インダクタ１のインダクタンス
Ｌが等価的に減少する。

【００３８】従って、図１２に示すように、重なり領域
Ｓが増加すると、（１）式に基づいて発振器の周波数ｆ
が増加する。従って、発振器の周波数ｆの変化を測定す
ると、導電性物質１０と２次元状に分布する平面状イン
ダクタ１の間の重なり領域Ｓの変化を測定することがで
きる。すなわち、発振器の周波数ｆの変化を測定する
と、導電性物質１０と２次元状に分布する平面状インダ
クタ１の相対的な位置の変化を測定することができる。
２次元状に分布する平面状インダクタ１と導電性物質１
０の相対的な位置が変化することにより、重なり面積が
変化する場合にも、実質的にはインダクタと導電性物質
１０の距離の変化である。従って、本発明の距離測定用
ＩＣは、重なり面積が変化する場合にも適用される。

【００３９】図５に示すように、２次元状に分布する平
面状インダクタ１と導電性物質１０の距離をｄとする。
上記の発振器の周波数ｆと上記の距離ｄの関係を図１３
に示す。図１３において、距離ｄが３ｍｍ〜４ｍｍ以下
になると、発振器９の周波数ｆが急激に増加する。本発
明の距離測定用ＩＣをロボットや位置検出器に適用する
場合には、距離ｄの微少変化に対して発振器の周波数ｆ
が急激に変化する領域で使用すると、測定感度は良好に
なる。

【００４０】図１３に示すように、２次元状に分布する
平面状インダクタ１と導電性物質１０の距離ｄが減少す
ると、２次元状に分布する平面状インダクタ１のインダ
クタンスＬが等価的に減少し、発振器の周波数ｆは増加
する。すなわち、本発明の距離測定用ＩＣにおいては、
発振器の周波数ｆを周波数カウンタにより計測すること
により、２次元状に分布する平面状インダクタ１と導電
性物質１０の距離ｄを高精度に測定することができる。

【００４１】距離測定用ＩＣの発振周波数を周波数カウ
ンタで計測して距離を測定する装置は、距離測定用ＩＣ
から出力されるデジタル信号を周波数カウンタで計測で
きる。従って、本発明の距離測定用ＩＣを用いて、２次
元状に分布する平面状インダクタ１に測定対象物体を装
着して移動させる場合には、その物体の移動距離をデジ
タル的に演算できる。また、導電性物質１０に測定対象
物体を装着して移動させる場合には、その物体の移動距
離をデジタル的に計測できる。

【００４２】最も一般的には、デジタル・コンピュータ
を用いて、距離測定用ＩＣからの信号を演算処理して距
離を計測するので、本発明の距離測定用ＩＣの出力信号
は直接的にコンピュータにデジタル信号として入力する
ことができる。アナログ信号を出力する従来の距離測定
装置は、信号をコンピュータに入力するために、増幅回
路を経由し、Ａ／Ｄ変換器を用いて量子化を行う必要が
ある。

【００４３】デジタル的に距離を測定する装置と、アナ
ログ的に距離を測定する装置を比較すると、デジタル処
理する装置は、次に示す利点がある。（１）アナログ信号を増幅するための回路およびＡ／
Ｄ変換器を必要としないので、システム全体の価格が安
くなる。（２）距離測定用ＩＣから出力されるデジタル信号
は、出力線を長くしても、測定値が減衰したり、ノイズ
の影響を受けない。（４）距離測定用ＩＣの全ての回路をデジタル回路に
できるので、集積回路で実現する事が容易である。

【００４４】図１４には、２次元状に分布する平面状イ
ンダクタ１を用いる距離測定用ＩＣの一例のブロック・
ダイアグラムを示す。２次元状に分布する平面状インダ
クタ１にコンデンサーである集中型キャパシタ４が直列
に接続されて、ＬＣ回路８を構成する。ＬＣ回路８から
の出力信号は増幅器５に入力される。増幅器５の出力
は、フィードバック・ネットワーク６と周波数カウンタ
７に入力される。フィードバック・ネットワーク６の出
力信号が、２次元状に分布する平面状インダクタ１にポ
ジティブ・フィードバックされることにより、発振器９
を構成する。周波数カウンタ７から本発明の距離測定用
ＩＣの出力信号が出力される。

【００４５】図１５は、図１４に示す距離測定用ＩＣの
増幅器５の一例を示す。増幅器５には、入力Ｖinと出力
Ｖoutがある。入力Ｖinは駆動用のトランジスタＱ1のゲ
ートに入力され、駆動用のトランジスタＱ1のドレイン
には負荷用トランジスタＱ2が接続されている。負荷用
トランジスタＱ2のドレインには電源電圧Ｖddが接続さ
れ、Ｑ2のソースは出力Ｖoutである。入力Ｖinに入力さ
れた信号は増幅されて出力Ｖoutから出力される。本発
明の距離測定用ＩＣには、バイポーラ・トランジスタ、
電界効果トランジスタなどの全てのトランジスタを用い
ることが可能であり、トランジスタの種類は限定されな
い。さらに、この増幅器には、オペアンプも使用でき
る。

【００４６】図１６には、図１４に示す距離測定用ＩＣ
の抵抗を用いるフィードバック・ネットワーク６の一例
を示す。フィードバック・ネットワーク６は抵抗Ｒ1と
抵抗Ｒ2から構成される。フィードバック・ネットワー
ク６のＶinに入力された信号は減衰し、Ｖoutから出力
される。

【００４７】本発明の距離測定用ＩＣをペンに使用する
実施例を図１７に示す。この図のペン１３は、位置検出
棒１４の位置を、距離測定用ＩＣで検出する。この図の
ペン１３は、金属板である導電性物質１０と、軸方向に
移動する位置検出棒１４と、この位置検出棒１４を図に
おいて下方に弾性的に押している弾性体１５と、２次元
状に分布する平面状インダクタ１を備える距離測定用Ｉ
Ｃを備えている。

【００４８】距離測定用ＩＣは、２次元状に分布する平
面状インダクタ１を図において下面に配設している。位
置検出棒１４の先端部に、導電性物質１０を固定してい
る。位置検出棒１４には弾性体１５の一端を接続されて
いる。弾性体１５は、位置検出棒１４に圧力が加えられ
てこれが上昇すると、伸びて位置検出棒１４を弾性的に
下方に引っ張る。導電性物質１０が上下に移動すると、
２次元状に分布する平面状インダクタ１と導電性物質１
０の間の距離が変化する。従って、距離測定用ＩＣの内
部に設置されている発振器９の周波数ｆが変化する。距
離測定用ＩＣに内蔵され、あるいは、外部に設けられる
周波数カウンタで、発振器９の周波数を測定することに
より、圧力、すなわち、位置検出棒１４の上下位置を測
定することができる。このため、このペン１３は、位置
検出棒１４に作用する圧力で筆圧を検出できる。したが
って、このペン１３を、例えばデジタイザと一緒に使用
して、筆圧と筆跡の両方を検出できる。

【００４９】本発明の距離測定用ＩＣは距離を測定する
ものであるが、図１７に示すように、弾性体１５を用い
ることにより、変位を圧力に変換することは容易である
ので、圧力などの圧力を測定することもできる。弾性体
１５の具体例として、スプリングやゴムなどがある。

【００５０】図１７のペンに内蔵される距離測定用ＩＣ
の回路図を図１８に示す。この回路図の距離測定用ＩＣ
は、２次元状に分布する平面状インダクタ１と集中型キ
ャパシタ４が直列に接続されてＬＣ回路８を構成する。
ＬＣ回路８の出力はフィードバック・ネットワーク６に
入力される。フィードバック・ネットワーク６は抵抗Ｒ
1と抵抗Ｒ2によって構成される。フィードバック・ネッ
トワーク６の出力は増幅器５によって増幅されて、ポジ
ティブ・フィードバックが施される。増幅器５のネガテ
ィブ・フィードバック端子は抵抗Ｒ3によって接地され
る。増幅器５の出力は２次元状に分布する平面状インダ
クタ１に加えられる。

【００５１】図１８に示す距離測定用ＩＣを使用して、
図１７のペン１３に内蔵される位置検出棒１４の位置を
検出するブロック・ダイアグラムを図１９に示す。この
ブロック・ダイアグラムは、発振器９、周波数カウンタ
７、バッファ１６及び制御回路１７が含まれる。ペン１
３の位置検出棒１４に圧力が加えられてこれが移動する
と、距離測定用ＩＣに内蔵される発振器９の周波数ｆが
変化する。周波数カウンタ７を用いて、周波数ｆを測定
し、測定データをバッファ１６に格納する。周波数カウ
ンタ７とバッファ１６は制御回路１７によって制御され
る。バッファ１７に格納されているデータを読み出すこ
とにより、ペン１３に加えられた筆圧を測定する事が可
能になる。

【００５２】本発明の距離測定用ＩＣを導電性物質との
相対位置の検出に適用する場合における実測結果を図２
０に示す。導電性物質１０が基準点から離れる距離をｘ
とすると、ｄ＋ｘ＝ｃ（ｃ：一定）である。従って、基準点からの離脱距離ｘが大きくなる
と、距離ｄは減少する。離脱距離ｘと距離測定用ＩＣに
内蔵される発振器９の周波数ｆの関係を図２０に示す。
図２０は、ｃの値を１０００μｍとするときの測定結果
を示している。図１７のペン１３において、位置検出棒
１４に圧力が加えられる等によって、平面状インダクタ
１に導電性物質１０が接近すると、離脱距離ｘが増加
し、距離ｄが減少するので、発振器９の周波数ｆは増加
する。図２０に示すように、離脱距離ｘが７００μｍ変
化すると、発振器の周波数ｆの変化は１１．８ＭＨｚと
なり、分解能は１１，８００，０００となり、非常に大
きい。

【００５３】従って、本発明の距離測定用ＩＣを用いる
ペン１３は、位置検出棒１４の位置が少し変化すると、
デジタル出力は大きく変化する。故に、本発明の距離測
定用ＩＣを用いると、位置の変位、あるいは、圧力の変
化を高感度に検出できる。

【００５４】本発明の第２の実施例として、図２１に示
す膜厚測定器２０を説明する。この器具の目的はフィル
ムなどの薄膜１８の厚さを高精度に測定することであ
る。導電性物質である金属台１９の上に置かれた薄膜１
８に、距離測定用ＩＣの２次元状に分布する平面状イン
ダクタ１を接触させる。２次元状に分布する平面状イン
ダクタ１と金属台１９の距離は、薄膜１８の厚さにな
る。従って、２次元状に分布する平面状インダクタ１
と金属台１９の距離は、発振器９の周波数として測定す
ることができるので、薄膜１８の厚さの測定が可能にな
る。測定周波数が１００ＭＨｚのオーダであるので、少
なくても１００，０００，０００の分解能が容易に得ら
れる。しかも、この膜厚測定器２０の出力はデジタルで
あるため、コンピュータで膜圧を制御し、測定データを
管理することが容易であるので、産業界で広く利用する
事ができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明の距離測定用ＩＣにおいては、２
次元状に分布する平面状インダクタをパッケージの表面
に配設している。この独特の特徴によって、以下に示す
効果が発揮される。（１）２次元状に分布する平面状インダクタのインダ
クタンスＬを小さくして、発振器の周波数を高くするこ
とができる。従って、距離の測定を高速に行うことが可
能になる。（２）平面状インダクタが２次元状に分布するので、
平面状インダクタと導電性物質の間に発生する静電気的
な結合が密接になる。従って、平面状インダクタの全て
のインダクタンスＬが等価的に変化するので、インダク
タンスＬを有効に利用する事が可能になる。故に、距離
測定の感度が良好になる。（３）距離測定用ＩＣは、構造が簡単であり、軽量で
あり、価格が安いので、製造業などで多く使用すること
ができる。（４）発振器の周波数ｆを高くして、距離測定の分解
能を高くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３次元状に導線を巻いたインダクタを用いる従
来の距離測定装置を示す斜視図

【図２】メアンダ型の２次元状に分布する平面状インダ
クタを示す斜視図

【図３】スパイラル型の２次元状に分布する平面状イン
ダクタを示す斜視図

【図４】本発明の実施例の距離測定用ＩＣの集積回路の
上表面に配置された平面状インダクタを示す斜視図

【図５】本発明の他の実施例の距離測定用ＩＣの集積回
路の上表面の絶縁物質に配置された平面状インダクタに
導電性物質が接近する状態を示す斜視図

【図６】図５に示す距離測定用ＩＣの平面状インダクタ
と導電性物質のＹ軸方向の断面を示す断面図

【図７】図６に示す距離測定用ＩＣの平面状インダクタ
に導電性物質が接近した状態を示す断面図

【図８】図５に示す距離測定用ＩＣの平面状インダクタ
と導電性物質のＸ軸方向の断面を示す断面図

【図９】図８に示す距離測定用ＩＣの平面状インダクタ
と導電性物質に静電誘導された電荷によって発生する電
流を示す概略図

【図１０】本発明の他の実施例の距離測定用ＩＣの平面
状インダクタの表面に絶縁物質を被覆する場合における
Ｙ軸方向の断面を示す断面図

【図１１】図５に示す距離測定用ＩＣの平面状インダク
タに導電性物質が平行に移動する場合を示す断面図

【図１２】図１１に示す導電性物質が、さらに平面状イ
ンダクタに平行に移動して広く重なる状態を示す断面図

【図１３】本発明の距離測定用ＩＣの発振器の周波数ｆ
と距離ｄの関係を示すグラフ

【図１４】本発明の距離測定用ＩＣのブロック・ダイア
グラムの一例を示す図

【図１５】図１４に示す距離測定用ＩＣに用いる増幅器
の一例を示す回路図

【図１６】図１４に示す距離測定用ＩＣに用いるフィー
ドバック・ネットワークの一例を示す回路図

【図１７】本発明の距離測定用ＩＣの第１の実施例であ
るペンの構造の一例を示す断面図

【図１８】図１７に示すペンに搭載されている発振器の
一例を示す回路図

【図１９】図１７に示すペンに内蔵される位置検出棒の
位置を検出するブロック・ダイアグラムを示す図

【図２０】本発明の距離測定用ＩＣにおける、導電性物
質の基準点に対する離脱距離ｘと発振周波数ｆの関係を
示すグラフ

【図２１】本発明の距離測定用ＩＣの第２の実施例であ
る膜厚測定器の構造を示す断面図

【符号の説明】

１…平面状インダクタ２…集積回路３…絶縁物質４…集中型キャパシタ５…増幅器６…フィードバック・ネットワーク７…周波数カウンタ８…ＬＣ回路９…発振器１０…導電性物質１１…分布キャパシタ１２…ＩＣのピン１３…ペン１４…位置検出棒１５…弾性体１６…バッファ１７…制御回路１８…薄膜１９…金属台２０…膜厚測定器２１…磁性材料２２…フェライト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−296708（ＪＰ，Ａ) 特開平８−320362（ＪＰ，Ａ) 特開平７−248676（ＪＰ，Ａ) 実開平５−59305（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩＣのパッケージに内蔵されている発振
器(9)と、この発振器(9)を内蔵しているＩＣのパッケー
ジの表面に配設されると共に、発振器(9)に接続されて
発振器(9)の発振周波数を特定する平面状インダクタ(1)
とを備える距離測定用ＩＣであって、発振器(9)の発振周波数を３０ＭＨｚ以上としており、
ＩＣのパッケージ表面に導電性物質(10)が接近すると、
平面状インダクタ(1)によって、発振器(9)の発振周波数
を変化させて導電性物質(10)の接近距離を検出し、物体
の移動距離をデジタル的に演算し、かつデジタル信号を
出力するように構成されてなる距離測定用ＩＣ。
【請求項２】発振器(9)の発振周波数が３０〜１００
０ＭＨｚの範囲に設定されている請求項１に記載される
距離測定用ＩＣ。
【請求項３】発振器(9)を、オペアンプとキャパシタ
と平面状インダクタ(1)とで構成してなる請求項１に記
載される距離測定用ＩＣ。
【請求項４】発振器(9)の発振周波数を検出してデジ
タル信号を出力する周波数カウンタ(7)をパッケージに
内蔵してなる請求項１に記載される距離測定用ＩＣ。
【請求項５】平面状インダクタ(1)が、メアンダ型の
２次元状に分布する平面状インダクタである請求項１に
記載される距離測定用ＩＣ。
【請求項６】平面状インダクタ(1)が、スパイラル型
の２次元状に分布する平面状インダクタである請求項１
に記載される距離測定用ＩＣ。