JP3620998B2 - 導電性物体の端部検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に帯状をなした導電性物体、例えば金属の端部が検出装置を構成する電極部に入り込む量を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性帯状体の端部の位置を検出する目的のために、様々な手法が考案され、用いられてきた。例えば、光電的に検出するもの、画像情報を用いるもの、電磁的に検出するもの等がある。これらはそれぞれ得失があるため用途に応じて使い分けられてきた。
【０００３】
またこれらの方法とともに実用化されている方法に静電容量もしくはこれを媒介として得られる情報の変化を評価する手法がある。原理的に、静電容量を用いた手法は更に２種類に分類される。第１の方法は静電容量の変化そのものを評価する方法であり、その例を図１に示す。交流電源１０１を導電性帯状体１００と電極１０２との間に印加し電極１０２間に挿入された導電性帯状体１００の挿入量Ｘによって変化する静電容量を同調コイル１０４とともに形成される共振周波数の変化として捕らえ共振電流の変化を増幅器１０３で増幅し挿入量Ｘを検出する。
【０００４】
第２の方法は静電容量を介して伝達される信号、例えば高周波電圧が静電容量に挿入された導電性物体によって変調される度合いを評価する方法である。図２は第２の方法の一例を示す。交流電源１０１を送信電極１０２ａに印加し送信電極１０２ａと受信電極１０２ｂ間に挿入された導電性帯状体１００の挿入量Ｘによって変化する電流を増幅器１０３で増幅し挿入量Ｘを検出する。
【０００５】
第２の方法は入力端子および出力端子を持ち、両者の間に定義される関数の出力を導電性物体の挿入位置によって変化させるものである。第２の方法を簡単化した式で示す。
Ｙ＝Ｋ・Ｘ …（１）
ここにＹ：出力値，例えば電圧、Ｋ：係数、Ｘ：導電性物体の電極への挿入量
【０００６】
以下に記載する本発明は第２の方法の範疇に属するもので、以降第２の方法を「静電式３端子型」と呼ぶことにする。静電式３端子型の系で用いる励振電源は高周波の交流を用いることが多く、本発明でもこれを用いるが、これは単に実用的性能の実現のし易さから選択されるものであり、０を越えるいかなる周波数を用いても本発明は実現可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した（１）式に示すように、関数は導電性物体の電極への挿入量のみに感受性をもつことが望ましい。しかし、実際には各種の要因が介在し、係数に漂動が起る。次に示す（２）式は（１）式を実体に近い式にしたものである。
Ｙ＝（１＋α）・Ｋ・Ｘ …（２）
ここにα：係数の漂動
αは、例えば、空間の誘電率が温度や湿度、気圧などで複雑に変化したり、入出力電極間の物理的距離が変動したりすること、あるいは周囲の電気的反射や漏洩などで変化する。しかし、従来は、αの変動が無いかあるいは微小であるとして（２）式を用いていた。いうまでもなくこのことは実用上の大きな制限事項となり、応用範囲や利便性を損ねていた。
【０００８】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、周囲の状況に影響されないで導電性物体の電極への挿入量を検出する装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明における根本的概念は、（２）式のα、即ち各種の不都合が検出装置の物理的専有空間内では等分に起るであろうとの予測の上に成り立っている。解決手段を説明するにあたり、先ず静電式３端子型の共通基本原理を説明する。図３はこの原理を説明する図である。対向して設けられた送信電極２と受信電極３の間には導電性物体１がｘだけ挿入される。交流電源４より交流電圧が送信電極２に印加され両電極２，３の間には電気力線が形成される。ここでは一次近似についてのみ言及し静電容量の縁辺効果や電気力線の湾曲などについては説明の簡単化のため無視する。
【００１０】
この条件によって、電界傾度が同じとき電気力線は電極全体について等密度で分布する。図３に示すように、電気力線は収束して電流となって負荷抵抗５に流れる。もし静電容量を形成する部分のインピーダンスが負荷抵抗値に比し十分大きいなら、負荷抵抗５に生成される電圧は、受信電極３に集約される電気力線の総数に比例する。図３では電気力線は２つのグループに別れ、それぞれ抵抗負荷５と測定対象である導電性物体１に集約される様子を示す。電気力線の密度は、電界傾度に依存するため、受信電極３に流れるａグループと導電性物体１に流れるｂグループでは密度が異なるが、このシステムで評価の対象となるのは、ａグループの電気力線であるため、このことが測定に不都合を与えることはない。結局、負荷抵抗５に流れる電流は導電性物体１の挿入量ｘに依存し、その関係は第一次近似として直線的で、次の式で表される。
【００１１】
Ｉ_Ｌ ＝ｋ・（１−ｘ）
ここで、Ｉ_Ｌ ：負荷抵抗５を流れる電流、ｋ：比例定数、数字の１：両電極の長さ（導電性物体１の挿入方向の長さ）を１として表す。
なお、ａグループの電気力線の密度に影響を与えるあらゆる外乱要素は測定誤差の要因になるので、これを解決するのが本発明の目的である。
【００１２】
今まで、印加電圧、換言すれば電圧により生成される電気力線に関し、ただ１つの周波数だけが存在する場合を述べたが、ここで複数の周波数成分をもつ電気力線が混在している場合を考察する。特に周波数成分の数が２つ、ｆ_１ ，ｆ_２ から成る場合で、それらの周波数の電気力線の本数が一次元的に次のような分布をなしているとする。
ＥＭｆ_１Ｘ＝ｘ …（３）
ＥＭｆ_２Ｘ＝（１−ｘ）…（４）
ここで、ＥＭｆ_１Ｘ：ｘ点における周波数ｆ_１ の電気力線の本数、ＥＭｆ_２Ｘ：ｘ点における周波数ｆ_２ の電気力線の本数、ｘ：導電性物体の電極への挿入量、数字の１：両電極の長さ（導電性物体１の挿入方向の長さ）を１として表す。
【００１３】
図４は電気力線の本数分布を矢印の長さに置き換えて表した図で、実線は（３）式で示す周波数ｆ_１ の電気力線の本数を示し、破線は周波数ｆ_２ の電気力線の本数を示す。負荷抵抗５を流れる電流は図３に示すように導電性物体１で遮断されないで受信電極に到達する電気力線の積分に比例する。ｘの範囲を（０＜ｘ＜１）とし、積分範囲をｘから１までとすると、電流は次の式で表される。

ここでＩ_Ｌ ｆ_１Ｘ は周波数ｆ_１ の電気力線により負荷抵抗５を流れる電流であり、Ｉ_Ｌ ｆ_２Ｘ は周波数ｆ_２ の電気力線により負荷抵抗５を流れる電流である。
【００１４】
ここで、Ｉ_Ｌ ｆ_２Ｘ とＩ_Ｌ ｆ_１Ｘ との比を求めると次式で表される。
Ｉ_Ｌ ｆ_２Ｘ ／Ｉ_Ｌ ｆ_１Ｘ ＝（１−ｘ）／（１＋ｘ）…（５）
この比は１から極限値としての０までの連続した値をとる。
【００１５】
図５はこの電流の比と挿入量ｘとの関係を示す。縦軸が電流比Ｉ_Ｌ ｆ_２Ｘ ／Ｉ_Ｌ ｆ_１Ｘ を示し、横軸が正規化された挿入量ｘを示す。図５は理論計算結果であり、ｘ＝１となる極限値では０／０の不定形となるが、ｘがとり得る最大値を制限する（例えば０ ．８）ことにより、実用上の問題はない。この電流の比が決まれば、ｘの値は一意に決まるので、ｘに対する測定系が成立し、電導性物体の電極への挿入量ｘを検出できる。ここで特筆すべきは、両周波数成分の電流の比を求めることにより、ｋの項目が消去されたことである。すなわち、ｋに影響を与える諸要素、例えば、励振電源電圧、空間誘電率、送信電極と受信電極間距離、電気力線総数に影響を与える電極寸法などは、一次近似としては測定値に影響を与えない。なお、図５の非直線性が問題になるような応用では、直線化手段、例えば非線形増幅器やルックアップテーブル等を適用することにより修正可能である。
【００１６】
さらに、別の処理として次の演算を行う。
Ｉ_Ｌ ｆ_１Ｘ とＩ_Ｌ ｆ_２Ｘ との和Ｉ_ＬＡを求める。
Ｉ_ＬＡ＝１／２・ｋ（１−ｘ）（（ １＋ｘ）＋（１−ｘ））＝ｋ（１−ｘ）
また、Ｉ_Ｌ ｆ_１Ｘ とＩ_Ｌ ｆ_２Ｘ との差Ｉ_ＬＤを求める。

【００１７】
ここで、受信系に対し可変増幅率の増幅器を導入すれば、ｖを増幅器の増幅率としたとき
Ｉ_ＬＡ＝ｖｋ（１−ｘ）
となる。
ｖを適宜調整することによりＩ_ＬＡを常に任意に定めた固定値Ｃに保つようにすると、
ｋ（１−ｘ）＝Ｃ より電流の差Ｉ_ＬＤは、
Ｉ_ＬＤ＝Ｃ・ｘ
ｘ＝Ｉ_ＬＤ／Ｃ…（６）
【００１８】
このように出力電流の差Ｉ_ＬＤと導電性物体の電極への挿入量ｘは直接比例関係を保つことができ、しかもｋに依存しない系が構成される。この場合もｘが１となる極限状態ではＩ_ＬＡをＣに保つためのｖは発散するので、ｘの最大値は具体的な設計上の許し得る範囲、例えば０ ．８以下に制限することが望ましい。
【００１９】
以上に説明したように、本発明では、送信電極と受信電極間に生成する電気力線の本数分布を図４に示すように電極端部から単調増加するものと、この逆の分布をするものとを発生させ、電極端部から導電性物体をｘ挿入したときに受信電極に発生する電流を演算処理することにより、環境定数に依存せず、常に安定した測定値ｘを得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図６は本発明の第１実施形態の送信電極を示す図である。送信電極２は導体で構成され、互いに逆向きに配置された三角形の第１電極２ａと第２電極２ｂからなる。長さ方向同一位置における第１電極２ａの幅ｂ１と第２電極２ｂの幅ｂ２の和Ｂはいずれの位置においても一定である。導電性物体１の挿入量をｘとし、両電極２ａ，２ｂの長さは１とする。
【００２１】
図７は第１実施形態の構成を示す図である。
導電性物体１の挿入方向に平行に送信電極２と受信電極３が対向して設けられている。送信電極２は第１電極２ａと第２電極２ｂからなり、並行して配置されている。受信電極３は導体で構成され、どの部分の電位も実質的に一様であり、受信電極３に集約される電気力線による電流は電気力線の積分に比例する。受信電極３には負荷抵抗５が接続され、この負荷抵抗５より出力電圧を取り出す。なお、受信電極３の構成は以降の実施形態でも同じである。周波数ｆ１の交流信号Ｓ１を発生する第１電源４ａは第１電極２ａに接続され、周波数ｆ２の交流信号Ｓ２を発生する第２電源４ｂは第２電極２ｂに接続されている。また、交流信号Ｓ１とＳ２の電圧Ｅ１とＥ２は互いに等しくＥｔに設定される。
【００２２】
第１電極２ａと第２電極２ｂとの電位は同一であり、両電極２ａ，２ｂと受信電極３の距離は一定なので、両電極２ａ，２ｂと受信電極３の電気力線の密度はどこでも均一である。しかし電気力線の本数は電極２ａ，２ｂの面積に比例するため、第１電極２ａでは、導電性物体１を挿入する側から挿入する側の反対端まで直線状に増加し、第２電極２ｂでは第１電極２ａと反対の形状で直線的に減少する。これにより周波数ｆ１と周波数ｆ２の電圧による電気力線の本数の分布は、図４に示した電気力線の本数分布と同じように直線的に変化する。受信電極３に生成する電流は受信電極３に生じる電気力線の総数に比例する。これにより、本実施形態において、（５）式が成立し、受信電極３に生ずる電流より導電性物体１の電極２，３への挿入量ｘを算出することができる。
【００２３】
なお、第１電極２ａ及び／または第２電極２ｂの面積分布を非直線状に変更することにより、電気力線の本数分布に非直線性を持たせることができる。そこで両電極２ａ，２ｂの面積分布を図５の出力特性（（５）式に示す電流比）を補整するように設定することによって、爾後の信号処理における既述の非線形補整は不必要となり便利である。
【００２４】
図８は出力特性を直線化する処理を行なうための要件を概念的に説明する図である。軸１の縦目盛りは導電性物体１の電極への挿入量ｘの基準化された位置を示し、その他の軸の目盛りはこの位置と対応して示される。軸２は送信電極２の基準化した幅分布を示し、直線的に変化するから、目盛りは軸１と同じである。軸３は、無処理時の基準化出力（（５）式に示す電流比）を示す。なお、軸１は図５の横軸を示し、軸３は縦軸を示す。導電性物体１の電極への挿入量ｘと基準化出力ｐとは、（５）式と同じ関係が成り立つ。
ｐ＝（１−ｘ）／（１＋ｘ）
この式から任意のｐに対するｘの位置は次の式で表される。
ｘ＝（１−ｐ）／（１＋ｐ）
【００２５】
そこで、最終的に軸４に示すような直線的な出力特性を得るためには、軸２のような直線的面積分布に代えて軸５に示す面積分布にすればよいことがわかる。本件の実施は実際の設計において、送信電極に非線形面積分布を持たせることと、非線形補整手段を装着することとの経済性を比較して決定すればよい。
【００２６】
図９は受信電極３で得られた電流を処理する構成を示す。受信電極３に集約された電流は増幅器１１により実用的な電圧に変換される。次に周波数ｆ１に同調したバンドパスフィルタ１２ａ、周波数ｆ２に同調したバンドパスフィルタ１２ｂを通して、ｆ１成分とｆ２成分に分離され、整流器１３ａ、整流器１３ｂによって直流信号に変換され、アナログ割算器１４に導かれ、（５）式で示した方法で導電性物体１の電極２，３への挿入量ｘが検出される。その後必要に応じて図５で示した非線形を非線形補正器１５で線形に補正して最終出力とする。
【００２７】
図１０は受信電極３で得られた電流をデジタル素子で処理する装置を示す。整流器１３ａ，１３ｂまでは図９と同じで、その後Ａ／Ｄ変換器１６ａ，１６ｂでデジタルデータに変換し、デジタル割算器１７に導かれ、導電性物体１の電極２，３への挿入量ｘが算出される。その後必要に応じて出力をルックアップテーブル１８を用いて直線に補正して最終出力とする。
【００２８】
次に第２実施形態について説明する。第１実施形態の図９〜図１０に示す装置では導電性物体１の電極への挿入量ｘを（５）式に基づいて電流比から求めたが、第２実施形態では、電流の和と差を求め（６）式に基づき挿入量ｘを求める。図１１は第２実施形態の構成を示す図である。受信電極３に発生した電流は可変増幅率増幅器２１で増幅され、バンドパスフィルタ２２ａ，２２ｂにより周波数ｆ１とｆ２の成分に分離され、それぞれ整流器２３ａ，２３ｂで整流された後、減算器２４と加算器２５で減算および加算される。制御信号発生器２６は加算器２５の出力と固定値設定器２７で設定された固定値Ｃが一致するように可変増幅率増幅器２１の増幅率を決定する。減算器２４の出力が導電性物体１の電極への挿入量ｘとなるべき最終出力である。
【００２９】
加算器２５の出力は固定値Ｃと比較され、両者の差に基づいた制御信号で可変増幅率増幅器２１の増幅率が制御される結果、加算器２５の出力は常に一定値に保たれる。このとき、減算器２４の出力は（６）式に示すように導電性物体１の電極への挿入量ｘに直接比例する。制御信号発生器２６の出力は加算器２５の出力と固定値Ｃとの差に基づき作成されるが、その手法は任意であり、例えば、Ｐ動作、ＰＩ動作、ＰＩＤ動作などが用いられる。本実施形態はフィードバック制御を用いているが、他の制御方法も可能である。すなわち周波数ｆ１とｆ２の検出信号の和の値が評価可能でさえあれば、これによって差の値を後段で再評価し導電性物体１の電極への挿入量ｘを知るフィードフォワード処理も可能である。
【００３０】
次に第３実施形態を図１２を参照して説明する。第１実施形態では励振源として２つの周波数ｆ１とｆ２を同時に、つまり１つの時間帯で用いたが、第３実施形態では１つの周波数を２つの時間帯で用いる。
【００３１】
図１２において、周波数ｆ１の交流信号Ｓ１を発生する第１電源４ａに転換スイッチ７を接続し、この転換スイッチ７を送信電極２に接続する。転換スイッチ７の入力端の一方に第１電源４ａが接続され、他方は接地されており、出力端の一方は第１電極２ａに接続され、他方は第２電極２ｂに接続されている。これにより第１電極２ａを第１電源４ａに接続し、第２電極２ｂを接地する接続と、この逆の接続を転換スイッチ７により行なうことができる。受信電極３には増幅器１１、Ａ／Ｄ変換器１６、メモリ３０、デジタル割算器１７が接続されている。
【００３２】
かかる構成により、第１電源４ａを投入すると、送信電極２と受信電極３間には図４の実線（または破線）で示す電気力線の本数分布と同じ電気力線の本数分布が得られる。この時収集されたデータはＡ／Ｄ変換された後、一旦メモリ３０に蓄えられる。その後転換スイッチ７を転換すると、電気力線の本数分布は図４の破線（または実線）で示すようになる。このときのデータをＡ／Ｄ変換しメモリ３０に蓄えられたデータとともにデジタル割算器１７で処理することにより、導電性物体１の電極２，３への挿入量ｘを算出することができる。本実施形態は、電源、バンドパスフィルタ、Ａ／Ｄ変換器はそれぞれ１個でよいので、経済的に優れており、また現在一般的となったコンピュータでの信号処理にも向いている。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、静電式３端子型導電性物体端部検出装置が持つ、本質的な不安定性、即ち、電圧、電極間距離、誘電率等の変化に代表される外部要因による測定値の変動を解消した装置を構成することが可能になる。なお、信号源として実施形態では２つの周波数による構成例を示したが、実用上、２を越える周波数を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性物体の挿入量を静電容量の変化により検出する装置の基本回路図である。
【図２】導電性物体の挿入量を電気力線の変化により検出する装置の基本回路図である。
【図３】静電式３端子型検出器の基本動作を示す概念図である。
【図４】本発明の基本要件となる電気力線の本数分布を示す図である。
【図５】本発明の導電性物体の端部位置と出力信号との関係を示す理論的曲線を示す図である。
【図６】第１実施形態の送信電極の構成を示す図である。
【図７】第１実施形態の構成を示す図である。
【図８】出力（電流比）の非直線性を矯正するための送信電極に対する要件を説明する図である。
【図９】受信電極で得られた信号を処理するブロック図である。
【図１０】受信電極で得られた信号をデジタル信号に変換して処理するブロック図である。
【図１１】受信電極で得られる電流の和と差から挿入量ｘを検出するブロック図である。
【図１２】第３実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 導電性物体
２ 送信電極
２ａ 第１電極
２ｂ 第２電極
３ 受信電極
４ａ 第１電源
４ｂ 第２電源
５ 負荷抵抗
７ 転換スイッチ
１１ 増幅器
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ バンドパスフィルタ
１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ 整流器
１４ アナログ割算器
１５ 非線形補正器
１６ａ，１６ｂ Ａ／Ｄ変換器
１７ デジタル割算器
１８ ルックアップテーブル
２１ 可変増幅率増幅器
２４ 減算器
２５ 加算器
２６ 制御信号発生器
２７ 固定値設定器
３０ メモリ

Claims (4)

1. 導電性物体の端部の移動方向に対し平行に配置され導体よりなる１対の送信電極と、
   前記導電性物体を挟んで前記送信電極に対向して配置された受信電極と、
   前記１対の送信電極の内、一方に周波数ｆ１の交流信号Ｓ１を印加し、他方に前記周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２の交流信号Ｓ２を印加する電源と、
   前記受信電極に発生する周波数ｆ１の電流Ｉ１と周波数ｆ２の電流Ｉ２とを演算処理することにより、前記導電性物体の端部の前記送信電極と前記受信電極の間への挿入量を検出する検出手段と、
   を備え、
   前記１対の送信電極は互いに逆向きに配置されたほぼ三角形の平面形状であることを特徴とする導電性物体の端部検出装置。
2. 前記検出手段は前記電流Ｉ１と前記電流Ｉ２との比から前記導電性物体の端部の挿入量を検出することを特徴とする請求項１記載の導電性物体の端部検出装置。
3. 前記検出手段は前記電流Ｉ１と前記電流Ｉ２との和が常に一定値となるように両電流Ｉ１，Ｉ２を共通の増幅率で増幅し得られた電流Ｉ１ｖと電流Ｉ２ｖの差から前記導電性物体の端部の挿入量を検出することを特徴とする請求項１記載の導電性物体の端部検出装置。
4. 前記送信電極は、前記交流信号Ｓ１とＳ２とを送信する時間を異なった時間とし、前記検出手段は、最初に送信した信号に基づく電流Ｉ１を後から送信した信号に基づく電流Ｉ２が得られるまで保持し、両電流Ｉ１，Ｉ２より前記導電性物体の端部の挿入量を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導電性物体の端部検出装置。

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