JP3442871B2 - 静電容量計を用いた厚みまたは変位測定装置、および静電容量計を用いた厚みまたは変位測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電容量計を用いた厚
みまたは変位測定装置、および静電容量計を用いた厚み
または変位測定方法に関するものである。近年、樹脂、
フイルム、あるいは金属部材上にコーティングした絶縁
膜等の厚さを高い精度で測定したり、またはこれらの作
製中の変位を管理することが要望されるようになった。
本発明は、これに答えるために精度の高い厚みまたは変
位を測定することができるものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来例における静電容量計を用い
た厚みを測定する装置を説明するための図である。図４
において、主電極１には、下面が偏平に形成されると共
に、上部に向けて突出し、主電極用ナット１２１を螺合
する電極端子１１１が形成されている。ガード電極２に
は、下部に前記絶縁部材３で覆われた主電極１を収納す
る凹部２１と、前記主電極１の電極端子１１１を挿入す
る貫通孔２２と、上部にネジ部２３が形成されている凹
部２４と、ネジ孔２５とが形成されている。絶縁部材３
は、たとえば、ポリカーボネイト、セラミック等のよう
な熱膨張の少ない絶縁部材からなる主電極１に対して垂
直方向にできるだけ薄く形成される。コネクタ４は、下
部にコネクタ端子４１がコネクタ４の外部と絶縁されて
形成されている。また、コネクタ４には、コネクタ用ホ
ルダ４２、コネクタ用ホルダ４２と一体になって下部に
設けられている係合部４３、コネクタ用ナット４４が形
成されている。

【０００３】そして、電極端子１１１とコネクタ端子４
１とは、リード線５により電気的に接続されている。内
部ホルダ６は、金属製の円筒体で、内部ホルダ６の下部
には、ネジ部６１が立てられており、前記ガード電極２
のネジ部２３と螺合する。また、内部ホルダ６の上部に
は、内方に突出した係止部６２が形成されている。絶縁
板７は、たとえば、前記絶縁部材３と同様に熱膨張の少
ない絶縁部材で、前記ガード電極２の上部に載置される
と共に、ホルダ用開孔およびネジ用開孔が形成されてい
る。アース電極８は、金属板からなり、上記絶縁板７と
同様にホルダ用開孔およびネジ用開孔が形成されてい
る。絶縁ホルダ９は、前記絶縁部材３と同様な部材の円
筒体で、内部ホルダ６およびアース電極８のホルダ用開
孔に嵌合される。外部ホルダ１０は、下部にフランジ部
１０１が形成されている。主電極１と絶縁部材３および
ガード電極２は、主電極用ブッシュ１１を介して主電極
用ナット１２１で固定されている。また、ガード電極
２、絶縁板７、アース電極８および外部ホルダ１０のフ
ランジ部１０１は、ネジ１２がアース用ブッシュ１３を
介してネジ孔２５に螺合されて固定される。

【０００４】図５は静電容量計を用いた厚み測定装置の
原理図である。図５において、厚み計は、静電容量を計
るために、主電極５１と対向電極５２とから構成され
る。被測定物５３は、主電極５１と対向電極５２との間
に配置される。前記対向電極５２は、基台５４等の上に
載置あるいは取り付けられている。そして、基台５４に
設けられた摺動杆５５には、摺動自在に上下方向に動く
支持杆５６が取り付けられている。当該支持杆５６に
は、前記主電極５１を絶縁された状態で保持している外
部ホルダ５７が固定されている。測定装置５８は、主電
極５１および対向電極５２に電圧を印加する図示されて
いない電源と、静電容量計とから構成されている。測定
装置５８には、前記静電容量計によって測定された静電
容量を厚みに換える演算処理を行なう演算装置５９と、
その演算結果を表示する表示装置６０とが備えられてい
る。

【０００５】上記のような静電容量計を用いた厚み計に
おいて、被測定物５３である樹脂フイルムが主電極５１
と対向電極５２との間に挿入された場合、主電極５１と
対向電極５２との間の静電容量は変わる。したがって、
厚さの判っている上記樹脂フイルムの静電容量を予め計
測しておき、この静電容量を基にして、被測定物５３で
ある樹脂フイルムの測定された静電容量から、演算装置
５９が演算して当該樹脂フイルムの厚さを求め、表示装
置６０に表示するか、あるいは演算結果をフィードバッ
クして、正しい厚さになるように制御を行なわしめる。

【０００６】図６は従来例における測定方法で、金属板
上に形成された幅広の樹脂フイルムの厚さを測定するた
めの説明図である。図６において、静電容量電極用支持
部材６１には、たとえば静電容量電極６２ないし６５が
主電極部を下方に向けて、同じ高さで設置されている。
金属板６６上に形成された幅広の樹脂フイルム等の絶縁
性被膜６７は、たとえば、基台６８上を図６の背面から
上面に向かって移動するようになっている。金属板６６
の表面に形成されている絶縁性被膜６７の厚さは、複数
の静電容量電極６２ないし６５によって、幅方向の各所
において正確に測定され、この値が、たとえば厚みを制
御するために制御装置に送られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、金属板に付ける
接着剤の厚さ、金属板に塗るインクの厚さ、金属板を絶
縁するコーティングの厚さ等精度の高い厚さ管理が要望
されるようになってきた。そして、金属板に塗る接着
剤、インク、あるいはコーティング等は、金属板が高速
に移動する間に処理される。また、図５に示す静電容量
計は、基台５４上に存在する被測定物５３が誘電体部材
のみであれば、上下にぶれても、その厚さを測定するこ
とができる。しかし、図６に示すように、金属板６６上
に塗るインクや樹脂フイルム等の絶縁性被膜６７は、基
台６８上で上下方向に振動した場合、静電容量電極６２
ないし６５によって計測された厚みに誤差ができるとい
う問題を有する。製造ラインの速度が速くなると、基台
６８上の被測定物は、移動中に常に一定の高さにするこ
とが困難である。そのため、金属板６６上に形成されて
いる絶縁性被膜６７は、上下にぶれた分、基準静電容量
が変化してしまうため、正確な厚みが測定できないとい
う問題を有した。

【０００８】さらに、金属板６６上に形成された絶縁性
被膜６７は、移動中に基台６８から上下にぶれた状態の
場合、金属板６６と基台６８との間の距離７１を測定し
て、この値から正確な絶縁性被膜６７の厚みを補正する
ことになる。しかし、上記補正を演算することが困難で
あるため、図６に示す測定装置は、距離７１を無視した
距離６９と測定された静電容量とから絶縁性被膜６７の
厚さ７０を演算している。

【０００９】また、図６に示す従来例における静電容量
計によって、金属板６６上に形成された絶縁性被膜６７
の厚さを測定する場合、静電容量電極６２ないし６５と
基台６８との間隔は、時間、日月等の温度変化によって
変化する。したがって、このような厚み計は、正しい距
離を常に調整（０調整）することによって、高い精度の
測定を行なっていた。しかし、近年、さらに高い精度の
測定が要望されるようになり、一日における温度差によ
る誤差が問題になる。この場合は、一日に何回か製造ラ
インを止めて０調整を行なう必要があり、生産性を低下
させるという問題を有した。

【００１０】以上のような問題を解決するために、本発
明は、絶縁・短絡を切り替えるといった簡単な装置を付
加するだけで、一つの静電容量計によって、絶縁性被膜
の厚さと変位とを測定することができる静電容量計を用
いた厚みまたは変位測定装置、および静電容量計を用い
た厚みまたは変位測定方法を提供することを目的とす
る。また、本発明は、測定開始に行なう０調整の回数を
少なく、金属板がたとえ上下にぶれた状態でも正確な厚
さを測定できる移動中の金属板上に形成された絶縁性被
膜の厚さを測定する静電容量計を用いた厚みまたは変位
測定装置、および静電容量計を用いた厚みまたは変位測
定方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】（第１発明） 前記目的を達成するために、本発明の静電容量計を用い
た厚みまたは変位測定装置は、主電極（１）と、前記主
電極（１）の下面に対向して設けられた対向電極（２
０）と、前記主電極（１）の下面と同一平面になると共
に、前記主電極（１）に対して絶縁的に囲むように設け
られた第１ガード電極（２）と、前記主電極（１）およ
び前記第１ガード電極（２）の下面と同一平面になると
共に、第１ガード電極（２）に対して絶縁的に囲むよう
に設けられた第２ガード電極（２′）と、前記第２ガー
ド電極（２′）の上部に絶縁部材を介して載置されたア
ース電極（８）と、前記第２ガード電極（２′）と前記
アース電極（８）との絶縁・短絡を切り替える切替手段
（３８）と、からなることを特徴とする。

【００１２】（第２発明） 前記目的を達成するために、本発明の静電容量計を用い
た厚みまたは変位測定装置は、上部に電極端子（１１
１）を有し、下部を偏平型にした主電極（１）と、前記
主電極（１）の下面に対向して設けられた対向電極（２
０）と、前記主電極（１）の下面と同一平面になると共
に、前記主電極（１）を絶縁的に囲むように収納する凹
部（２１）から構成され、かつ前記主電極（１）と同電
位である第１平板状ガード電極（２）と、前記第１平板
状ガード電極（２）の下面と同一平面になると共に、前
記第１平板状ガード電極（２）を絶縁的に囲むように収
納する凹部（２１′）から構成される第２平板状ガード
電極（２′）と、前記第２平板状ガード電極（２′）の
上部に絶縁部材（７）を介して載置された板状アース電
極（８）と、前記主電極（１）、第１平板状ガード電極
（２）、第２平板状ガード電極（２′）、および板状ア
ース電極（８）とそれぞれ電気的に絶縁されて接続され
ているコネクタ（４）と、前記第２平板状ガード電極と
前記板状アース電極との絶縁・短絡を切り替える切替手
段（３８）と、からなることを特徴とする。

【００１３】

【００１４】（第３発明） 本発明の静電容量計を用いた厚みまたは変位測定方法
は、主電極（１）と、前記主電極（１）の下面に対向し
て設けられた対向電極（２０）と、前記主電極（１）の
下面と同一平面になると共に、前記主電極（１）に対し
て絶縁的に囲むように設けられた第１ガード電極（２）
と、前記主電極（１）および前記第１ガード電極（２）
の下面と同一平面になると共に、第１ガード電極（２）
に対して絶縁的に囲むように設けられた第２ガード電極
（２′）と、前記第２ガード電極（２′）の上部に絶縁
部材（７）を介して載置されたアース電極（８）と、を
備えた静電容量計を用い、前記主電極（１）と対向して
設けられた前記対向電極（２０）との間に電界を印加し
た後、前記第２ガード電極（２′）と前記アース電極
（８）とが短絡状態で、前記主電極（１）と前記対向電
極（２０）との間に存在する誘電体部材の前記対向電極
（２０）からの変位を測定し、前記第１ガード電極
（２）および前記第２ガード電極（２′）と前記アース
電極（８）とが絶縁状態で、前記主電極（１）と前記対
向電極（２０）との間に存在する誘電体部材の厚みを測
定することを特徴とする。

【００１５】

【作 用】本出願人は、静電容量計におけるガード電
極が主電極から対向電極に向かって出る電気力線を垂直
にしていることに着目すると共に、ガード電極の電気力
線に対する影響に注目した。特に、本出願人は、主電極
と絶縁的に配置された第１平板状ガード電極と、当該第
１平板状ガード電極と絶縁的に配置された第２平板状ガ
ード電極とを設けることによって、誘電体部材の厚さ、
および対向電極に対する誘電体部材の変位をそれぞれ測
定できることを発見した。すなわち、第２平板状ガード
電極とアース電極とを短絡し、第１平板状ガード電極
は、主電極と離れた位置において接続されて同電位とす
ることで、電気力線が垂直に進むようにガードの役目を
持たせる。このように第２平板状ガード電極とアース電
極とを短絡状態にすると共に、第１平板状ガード電極と
主電極とを同電位で、かつ第１平板状ガード電極と主電
極とをアース電極に対して絶縁状態にした場合、主電極
から対向電極に向かって出る電気力線は、主電極の近傍
で垂直に進み、主電極から第１平板状ガード電極および
第２平板状ガード電極に向かうに従い、曲げられるた
め、その密度が異なる。

【００１６】そこで、本出願人は、第２平板状ガード電
極とアース電極とが短絡状態で、第１平板状ガード電極
と主電極とがそれぞれアース電極に対して絶縁状態にす
ると共に、第１平板状ガード電極と主電極とを絶縁状態
にした場合、主電極と対向電極との間における誘電体部
材の変位を測定できることを発見した。すなわち、アー
ス電極と第２平板状ガード電極とが短絡状態の場合、電
気力線は、対向電極に向かうもの、あるいは第２平板状
ガード電極と対向電極との力関係で、曲げられるもの、
および第２平板状ガード電極に向かうものが出る。誘電
体部材は、その存在位置により、電気力線の状態が異な
るため、静電容量が異なる。そこで、本出願人は、前記
異なる静電容量に着目し、前記静電容量とその時の位置
関係とによって、前記誘電体部材の変位が計算されるこ
とを発見した。 また、前記主電極、第１平板状ガード電
極、第２平板状ガード電極、およびアース電極をそれぞ
れ絶縁状態とし、かつ主電極と第１平板状ガード電極お
よび第２平板状ガード電極とが同電位にある場合、電気
力線は、対向電極に垂直に進むため、従来と同様に静電
容量が正確に測定できる。また、主電極は、絶縁的に第
１平板状ガード電極の下面に設けられた凹部に収納さ
れ、主電極および第１平板状ガード電極は、絶縁的に第
２平板状ガード電極の下面に設けられた凹部に収納され
ているため、各電極の下面が平らになり、対向電極に対
する電気力線を乱さない。したがって、静電容量および
変位の測定は、単にアース電極と第２平板状ガード電極
の短絡あるいは絶縁の切替えだけで正確にできる。平板
状ガード電極は、主電極の周囲に絶縁部材を介して、さ
らに増加させることができる。このような構成とするこ
とによって、広い範囲にわたって主電極から出る電気力
線は、対向電極に向かって垂直になる。

【００１７】

【実 施 例】図１は本発明の実施例で、静電容量計を
使用した厚み測定装置の概念図である。図２は本発明の
実施例で、静電容量計を使用した変位測定装置の概念図
である。図１および図２に示す主電極１、第１平板状ガ
ード電極２、絶縁部材３、絶縁板７、アース電極８は、
図４において説明した静電容量計と同じものであり、詳
細な説明を省略する。図４と相違する所は、図４に示す
ガード電極２を第１平板状ガード電極２と第２平板状ガ
ード電極２′とに分割し、その間に絶縁部材７′を介在
させている。また、主電極１、第１平板状ガード電極
２、第２平板状ガード電極２′を同じ平面とするため
に、第２平板状ガード電極２′に設けられた凹部に第１
平板状ガード電極２が絶縁的に収納されている。また、
同様に、第１平板状ガード電極２に設けられた凹部に主
電極１が絶縁的に収納されている。

【００１８】図１において、主電極１、第１平板状ガー
ド電極２、第２平板状ガード電極２′、およびアース電
極８は、それぞれ絶縁されている。また、主電極１と第
１平板状ガード電極２および第２平板状ガード電極２′
は、図示されていない位置によって同電位となるように
接続されている。主電極１から出る電気力線ａは、アー
ス電極８と絶縁されている第１平板状ガード電極２およ
び第２平板状ガード電極２′が存在するため、対向電極
２０に垂直に向かう。したがって、図１に示すような電
気力線ａによって、主電極１と対向電極２０間に存在す
る被測定物の静電容量が計測できる。そして、主電極１
と対向電極２０との間に存在する被測定物は、どの位置
にあっても電気力線ａの量が同じであるから、静電容量
を測ることによって、予め測定されている静電容量と特
定の誘電体部材の厚さとの関係を基にして、その厚さを
演算することができる。

【００１９】図２において、第２平板状ガード電極２′
とアース電極８とは、図示されていない位置で、短絡さ
れているため、電気力線がａないしｇとそれぞれ異なる
方向に進み、静電容量計として正確に測定できない。す
なわち、主電極１から対向電極２０に向かう電気力線ａ
は、垂直となる。しかし、主電極１から出る電気力線ｂ
ないしｇは、アース電極８およびアース電極８と同電位
の対向電極２０との両方に引き付けられる。すなわち、
主電極１から出る電気力線ａないしｇは、図２に示すよ
うに、第２平板状ガード電極２′に近づくにしたがい第
２平板状ガード電極２′に引きつけられる力が大きくな
る。したがって、図２に示すような状態では、正確な静
電容量計にならないが、主電極１と対向電極２０との間
において、位置によって電気力線の密度が異なる。たと
えば、対向電極２０上に載置されている誘電体部材は、
電気力線ａないしｅの影響を受けるのに対して、主電極
１近傍の誘電体部材は、電気力線ａないしｇの影響を受
ける。すなわち、同じ厚さの被測定物であっても、その
位置の違いによって、静電容量に差異が生ずる。そこ
で、主電極１と対向電極２０との間に存在する誘電体部
材は、予め測定されている変位とその時の静電容量との
関係を記憶しておけば、この記憶データを基にして、変
位を得ることができる。

【００２０】図３は本発明の実施例で、静電容量計を用
いた厚みまたは変位測定装置の原理図である。図３にお
いて、前述した図５と相違する所は、第２平板状ガード
電極２′、アース電極８とを短絡したり、解放したりす
る切替手段３８、およびデータべース４２を備えた点に
ある。切替手段３８は、たとえば、図４に示すコネクタ
４から図示されていないシールドされたリード線によっ
て導かれ、測定装置３９で静電容量を測定する前に第２
平板状ガード電極２′とアース電極８とを短絡するか、
解放するかの切り替えを行なう。すなわち、静電容量を
測定する際には、図５において説明したような演算を行
ない、変位を測定する際には、切替手段３８において第
２平板状ガード電極２′とアース電極８とを短絡した
後、静電容量を測定する。その後、測定された静電容量
は、予め判っている変位と静電容量との関係が記憶され
ているデータべース４２を参照して演算装置４０が演算
することで被測定物の変位が算出される。そして、被測
定物の変位は、静電容量を測定する際の補正のために使
用されたり、あるいは静電容量を測定するに先立つ０調
整等に使われる。

【００２１】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は、前記実施例に限定されるものではない。そして、
特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することがな
ければ、種々の設計変更を行うことが可能である。たと
えば、本実施例において、第２平板状ガード電極とアー
ス電極との絶縁あるいは短絡は、コネクタからシールド
されたリード線を用いて接続されている切替手段におい
てなされるが、第２平板状ガード電極とアース電極の近
傍にスイッチを設けることも可能である。また、第２平
板状ガード電極とアース電極との絶縁および短絡を交互
に行ない、対向電極からの正確な変位と静電容量とを計
り、これらの値を基にして正確な被測定物の厚さを得る
ことができる。また、本明細書では、被測定物の厚さの
みについて記述されているが、データべース内に予め測
定された特定の誘電体部材の静電容量と重さとの関係を
データとして記憶しておけば、重さについても厚さ同様
に測定することができる。すなわち、誘電体部材の密度
は、予め判っているため、本発明の変位測定装置によっ
て厚さが判れば、単位当たりの重さが判る。したがっ
て、本明細書における「厚さ」は、「厚さおよび重さ」
と読み換えることができることはいうまでもないことで
ある。また、本発明は、本実施例において説明した静電
容量計、測定装置、演算装置、表示装置は、これに限定
されず、公知あるいは周知の同等の装置を使用すること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、静電容量計の第２平板
状ガード電極とアース電極を短絡したり、あるいは解放
するだけで、被測定物の厚さと変位とを測定することが
できる。本発明によれば、金属板上に形成された被測定
物が移動中に上下にぶれても、第２平板状ガード電極と
アース電極との絶縁・短絡を切り替えるだけで、被測定
物の変位を測定できるため、正確な膜厚を計ることがで
きる。本発明によれば、主電極は、絶縁的に第１平板状
ガード電極に設けられた凹部に、主電極および第１平板
状ガード電極は、絶縁的に第２平板状ガード電極の凹部
に囲まれるようにそれぞれ収納されているので、各電極
の下面が平らになり、対向電極に対する電気力線を乱さ
ないため、第２平板状ガード電極とアース電極との絶縁
・短絡を切り替えるだけで、静電容量および変位の測定
を正確にできる。本発明によれば、主電極の周囲に設け
られるガード電極を複数個に増加し、ガード電極の面積
を変えることによって、幅の広い被測定物の厚さまたは
変位を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で、静電容量計を使用した厚み
測定装置の概念図である。

【図２】本発明の実施例で、静電容量計を使用した変位
測定装置の概念図である。

【図３】本発明の実施例で、静電容量計を用いた厚みま
たは変位測定装置の原理図である。

【図４】従来例における静電容量計を用いた厚みを測定
する装置を説明するための図である。

【図５】静電容量計を用いた厚み測定装置の原理図であ
る。

【図６】従来例における測定方法で、金属板上に形成さ
れた幅広の樹脂フイルムの厚さを測定するための説明図
である。

【符号の説明】

１・・・主電極 ２・・・第１平板状ガード電極 ２′・・・第２平板状ガード電極 ３・・・絶縁部材 ４・・・コネクタ ５・・・リード線 ６・・・内部ホルダ ７、７′・・・絶縁板 ８・・・アース電極 ９・・・絶縁ホルダ １０・・・外部ホルダ ２０・・・対向電極 ２１、２１′・・・凹部 ３８・・・切替手段 ａないしｇ・・・電気力線

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主電極と、前記 主電極の下面に対向して設けられた対向電極と、 前記主電極の下面と同一平面になると共に、前記主電極
   に対して絶縁的に囲むように設けられた第１ガード電極
   と、前記主電極および前記 第１ガード電極の下面と同一平面
   になると共に、第１ガード電極に対して絶縁的に囲むよ
   うに設けられた第２ガード電極と、前記 第２ガード電極の上部に絶縁部材を介して載置され
   たアース電極と、 前記第２ガード電極と前記アース電極との絶縁・短絡を
   切り替える切替手段と、 からなることを特徴とする静電容量計を用いた厚みまた
   は変位測定装置。
2. 【請求項２】 上部に電極端子を有し、下部を偏平型に
   した主電極と、前記 主電極の下面に対向して設けられた対向電極と、前記主電極の下面 と同一平面になると共に、前記主電極
   を絶縁的に囲むように収納する凹部から構成され、かつ
   前記主電極と同電位である第１平板状ガード電極と、前記 第１平板状ガード電極の下面と同一平面になると共
   に、前記第１平板状ガード電極を絶縁的に囲むように収
   納する凹部から構成される第２平板状ガード電極と、前記 第２平板状ガード電極の上部に絶縁部材を介して載
   置された板状アース電極と、前 記主電極、第１平板状ガード電極、第２平板状ガード
   電極、および板状アース電極とそれぞれ電気的に絶縁さ
   れて接続されているコネクタと、 前記第２平板状ガード電極と前記板状アース電極との絶
   縁・短絡を切り替える切替手段と、 からなることを特徴とする静電容量計を用いた厚みまた
   は変位測定装置。
3. 【請求項３】 主電極と、 前記主電極の下面に対向して設けられた対向電極と、 前記主電極の下面と同一平面になると共に、前記主電極
   に対して絶縁的に囲む ように設けられた第１ガード電極
   と 、前記主電極および前記第１ガード電極の下面と同一平面
   になると共に、第１ガード電極に対して絶縁的に囲むよ
   うに設けられた第２ガード電極と、 前記第２ガード電極の上部に絶縁部材を介して載置され
   たアース電極と、 を備えた静電容量計を用い、 前記 主電極と対向して設けられた前記対向電極との間に
   電界を印加した後、前記第２ガード電極と前記アース電
   極とが短絡状態で、前記主電極と前記対向電極との間に
   存在する誘電体部材の前記対向電極からの変位を測定
   し、 前記 第１ガード電極および前記第２ガード電極と前記ア
   ース電極とが絶縁状態で、前記主電極と前記対向電極と
   の間に存在する誘電体部材の厚みを測定することを特徴
   とする静電容量計を用いた厚みまたは変位測定方法。