JP4524011B2

JP4524011B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP4524011B2
Application number: JP26979799A
Authority: JP
Inventors: 篤嶋本; 憲彦柄澤; 百谷王唐崎
Original assignee: 株式会社フォトニクス
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: JP2001091204A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触方式で測定対象体との間の距離を測定するための距離測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の距離測定装置として、出願人は、図６に示す距離測定装置４１を既に提案している（特開２０００−２８３７０２号公報）。この距離測定装置４１は、距離センサ１１と、測定装置本体４２と、測定装置本体４２および測定対象体６１のグランド電位を共通接続するための接続用ケーブル６２とを備えている。距離センサ１１は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、例えば円盤状に形成されたプリント基板１２を備え、そのプリント基板１２の表面側には、輪状パターン１３〜１５が形成され、かつその裏面側には、接続用パターン１６が形成されている。また、プリント基板１２の中央部には、挿通用孔１２ａが形成されており、例えばモータの回転軸などが挿通可能な構造となっている。この場合、輪状パターン１３は、プリント基板１２の裏面側に形成されたランド１９にスルーホール１７を介して接続されている。輪状パターン１４は、輪状パターン１３の外周に沿って輪状パターン１３を取り囲むようにして形成されている。また、輪状パターン１５は、輪状パターン１３の内周に沿って形成されている。この両輪状パターン１４，１５は、スルーホール１８ａ，１８ｂおよび接続用パターン１６を介して互いに接続されており、輪状パターン１３をシールドする。
【０００３】
一方、測定装置本体４２は、図６に示すように、測定信号生成回路５１、増幅回路５２、検波回路５３および演算回路５４を備えている。この場合、測定信号生成回路５１は、例えば、２０ＫＨｚの正弦波交流信号を測定信号ＳM として生成し、その測定信号ＳM を増幅回路５２のプラス入力部に出力する。
【０００４】
また、増幅回路５２は、プラス入力部における測定信号ＳM とマイナス入力部の入力電圧とを差動増幅する。この場合、増幅回路５２のプラス入力部は信号ケーブルを介して距離センサ１１の輪状パターン１３に接続され、マイナス入力部は、信号ケーブルを介して距離センサ１１の輪状パターン１４，１５に接続される。この増幅回路５２は、例えば、モータのロータなどの測定対象体６１との間の距離を測定する場合、その距離に応じた電圧の出力電圧Ｖ1 を生成する。具体的には、測定対象体６１がプリント基板１２に対して相対的に移動する場合、輪状パターン１３および測定対象体６１の間の静電容量Ｃ１１と、輪状パターン１４，１５および測定対象体６１の間の静電容量Ｃ１２とがそれぞれ変化する。この場合、増幅回路５２は、静電容量Ｃ１１の変化に応じて変化する輪状パターン１３（つまり、プラス入力部）における測定信号ＳM の電圧値と、増幅回路５２の出力部からフィードバックされるマイナス入力部における測定信号ＳM の電圧値とが互いに等しくなるように差動増幅する。これにより、増幅回路５２は、静電容量Ｃ１１の変化に応じた電圧値の測定信号ＳM を出力電圧Ｖ1 として生成する。一方、検波回路５３は、増幅回路５２の出力電圧Ｖ1 を全波整流することにより直流のセンサ信号ＳDCを生成して演算回路５４に出力する。また、演算回路５４は、センサ信号ＳDCの電圧値に基づいて距離を演算する。
【０００５】
この距離測定装置３１では、例えば、測定対象体６１としてのモータのロータと距離センサ１１との間の距離を測定する場合、まず、モータの回転軸がプリント基板１２の挿通用孔２ａを挿通し、かつ輪状パターン１３と、測定対象体６１とが対向するように距離センサ１１を配置する。次いで、ロータおよび測定装置本体４２間に接続用ケーブル６２を接続することによって両者のグランド電位を共通接続した後、距離センサ１１と測定対象体６１との間の距離を測定する。この際には、距離センサ１１における輪状パターン１３と、測定対象体６１としてのロータとの間に測定信号ＳM を印加することにより、輪状パターン１３の全面とロータとの間の静電容量Ｃ１１に基づいて距離を測定する。この場合、この距離センサ１１では、輪状パターン１３が円形輪状に形成されているため、静電容量Ｃ１１は、ロータの表面状態による影響を含めた総和の静電容量として測定される。したがって、凹凸などが輪状パターン１３のどの部位に対向していても、静電容量Ｃ１１は、常に同一容量となる。したがって、測定装置本体４２では、その総和の静電容量１１に基づいての距離センサ１１および測定対象体６１間の距離を１回の演算で瞬時に求めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、出願人が既に提案している距離測定装置４１には、以下の改善点がある。すなわち、この距離測定装置４１では、測定対象体６１の電位を測定装置本体４２のグランド電位と同電位にする必要がある。したがって、距離測定装置４１には、測定対象体６１が金属などの導電体に限られ、非導電体との間の距離を測定するのが困難であるため、これを改善すべきとの要請がある。また、距離測定装置４１では、距離測定に先立って、測定対象体６１および測定装置本体４２間のグランド電位を同電位にするために、接続用ケーブル６２を接続しなければならない。したがって、距離測定に若干時間を要するため、距離測定に要する時間の短縮化も要請されている。
【０００７】
なお、測定対象体６１の裏面側に金属などの導電体ベースを用いて、その導電体ベースと測定装置本体４２のグランド電位とを接続用ケーブル６２で接続する場合には、その導電体ベースおよび距離センサ１１間の距離を測定することができ、この場合には、測定対象体６１および距離センサ１１間の距離を近似的に測定することもできる。しかし、測定対象体６１および距離センサ１１間の距離を正確に測定するためには、測定した距離から測定対象体６１の厚みを減算しなければならず、その演算処理が煩雑となる。また、測定対象体６１の厚みが厚い場合には、測定自体が困難である。加えて、測定可能な場合であっても、接続用ケーブル６２の接続工程が必要のため、距離測定に要する時間の短縮化の要請に応えるのは困難である。
【０００８】
本発明は、かかる改善点に鑑みてなされたものであり、各種材質の測定対象体との間の距離を短時間で測定可能な距離測定装置を提供することを主目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の距離測定装置は、一対の電極が形成されて距離測定基準面を形成する基準面手段と、一対の電極間の容量を発振周波数定数の一部とする発振回路と、発振回路の発振周波数およびその発振周波数に応じて変動する所定のパラメータの少なくとも一方に基づいて距離測定基準面および測定対象体間の距離を測定する測定回路と、測定対象体の誘電率を記憶する記憶部と、測定した距離を記憶部に記憶されている測定対象体の誘電率に応じて補正する補正回路とを備えると共に、輪状に形成された第１のパターンと、第１のパターンの外周または内周に沿って輪状に形成された第２のパターンとを一対の電極として備えたプリント基板で基準面手段が構成され、かつ、基準面手段を測定対象体における測定対象平面に対向配置した状態において距離を測定可能に構成されていることを特徴とする。この発明において、「発振周波数に応じて変動する所定のパラメータ」には、発振回路における発振信号自体の電圧値、その発振信号を整流した電圧値、およびこれらの電圧値に応じて変動する電流値などが含まれる。
【００１０】
この測定装置では、発振回路は、測定対象体が存在しないときには、一対の電極間の容量を発振周波数定数の一部とする所定の周波数で発振する。一方、例えば、ハードディスクなどの測定対象体に基準面手段を対向配置したときには、発振回路は、一対の電極間の容量と、測定対象体を介しての一対の電極間容量とを発振周波数定数の一部とする所定の周波数で発振する。この場合、後者の容量が基準面手段と測定対象体との間の距離に応じて変化するため、発振回路の発振周波数は、基準面手段と測定対象体との間の距離に応じて変化することになる。したがって、発振回路の発振周波数または所定のパラメータに基づいて、基準面手段および測定対象体間の距離を測定することが可能となる。この際には、各種材質の測定対象体に対する距離を測定できると共に、接続ケーブルによる測定対象体および発振回路間の接続が不要になるため、迅速に距離を測定することが可能となる。
【００１２】
また、距離測定の際における測定対象体を介しての一対の電極間容量は、測定対象体の誘電率に応じて変化する。したがって、最終的には、発振回路の発振周波数定数も、測定対象体の誘電率に応じて変化する。この距離測定装置では、例えば、測定対象体の材質に対応する誘電率をメモリなどの記憶部に予め記憶させ、その測定対象体を測定する際には、その材質に対応する誘電率に応じて、測定した距離を補正する。したがって、誘電率が互いに異なる各種材質の測定対象体との間の距離を正確かつ短時間で測定することが可能となる。
【００１４】
さらに、測定対象体の表面に凹凸などがある場合、一対の電極がそれぞれ輪状に形成されているため、測定対象体を介しての一対の電極間容量は、その凹凸などの表面状態による影響を含めた総和の容量として発振周波数定数の一部となる。この場合、測定対象体が回転状態および回転停止状態のいずれであっても、また、凹凸などが両パターンのどの部位に対向していても、同一距離であれば、その容量は、常に同一容量となる。したがって、この距離測定装置は、測定対象体が回転体であっても、測定対象体の回転状態／回転停止状態、およびその表面状態に影響されることなく、常に正確かつ短時間でその距離を測定することが可能となる。また、複雑なディジタル処理を行うことなく、瞬時に距離を測定できるため、距離測定装置を簡易に構成でき、これにより、製造コストの低減を図ることが可能になる。さらに、両パターンをシールドするシールドパターンを形成した場合には、第１，第２のパターンへの雑音の混入が低減または防止される結果、距離測定精度のさらなる向上を図ることが可能となる。
【００１５】
請求項２記載の測定装置は、請求項１記載の距離測定装置において、液晶またはハードディスクを測定対象体とすることを特徴とする。
【００１６】
この測定装置では、非導電体である測定対象体と基準面手段との間の距離を短時間で測定することができる。このため、液晶やハードディスクなどの測定対象体と基準面手段との間の距離を確実かつ短時間で測定することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る距離測定装置の好適な発明の実施の形態について説明する。なお、距離測定装置４１の構成要素と同一のものについては、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１８】
図１に示すように、距離測定装置１は、距離センサ１１と、距離センサ１１および測定対象体５間の距離を測定する測定装置本体２と、距離センサ１１および測定装置本体２間を接続する接続ケーブル３，４とを備えている。
【００１９】
測定装置本体２は、発振回路２１、検波回路２２、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２３、リニアライザ２４、Ａ／Ｄ変換回路２５、ＣＰＵ２６、ＲＯＭ２７、ＲＡＭ２８、表示部２９、コンデンサ３１および抵抗３２を備えて構成されている。
【００２０】
この場合、発振回路２１は、ＣＲ発振器で構成され、コンデンサ３１、抵抗３２、および接続ケーブル３，４間の容量を発振周波数定数として発振し、その発振信号ＳO を出力する。検波回路２２は、発振信号ＳO を検波して検波信号ＳD を出力する。ＬＰＦ２３は、検波信号ＳD に含まれている交流成分を除去して直流電圧の検出信号ＳDCを生成する。リニアライザ２４は、検出信号ＳDCの電圧値が測定対象体５および距離センサ１１間の距離にほぼ比例するように検出信号ＳDCを直線補正し、その補正後の検出電圧ＳR を出力する。Ａ／Ｄ変換回路２５は、検出電圧ＳR をアナログ−ディジタル変換して測定データＤM を生成する。ＣＰＵ２６は、本発明における測定回路および補正回路に相当し、測定データＤM に基づいての距離演算、および測定した距離測定値の表示部２９への表示制御などを実行する。ＲＯＭ２７は、ＣＰＵ２６の動作プログラム、測定データＤM によって特定される検出電圧ＳR の電圧値と距離との対応関係を示す距離データテーブル、および測定対象体５の誘電率などを記憶する。ＲＡＭ２８は、ＣＰＵ２６の演算結果を一時的に記憶する。表示部２９は、例えば、カラー液晶パネルで構成され、ＣＰＵ２６の制御下で距離測定値などを表示する。
【００２１】
一方、距離センサ１１は、例えば距離測定装置４１における距離センサ１１と同一に構成されている。具体的には、距離センサ１１は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、円盤状に形成されたプリント基板１２を備えている。この場合、プリント基板１２の表面が本発明における基準面手段に相当し、その表面側には、本発明における第１のパターンに相当する輪状パターン１３と、本発明における第２のパターンにそれぞれ相当する輪状パターン１４，１５とが形成されている。また、輪状パターン１３は、図４に示すように、プリント基板１２の裏面側に形成されたランド１９にスルーホール１７を介して接続されている。さらに、輪状パターン１４，１５は、スルーホール１８ａ，１８ｂおよび接続用パターン１６を介して互いに接続されている。
【００２２】
次に、距離測定装置３１の全体的な動作について、回転体であるハードディスクを測定対象体５として測定する場合を例に挙げて説明する。
【００２３】
まず、距離センサ１１の輪状パターン１４，１５と発振回路２１の一方の入力端子とを接続ケーブル３で接続し、かつ距離センサ１１の輪状パターン１３と発振回路２１の他方の入力端子とを接続ケーブル４で接続した後、図２に示すように、距離センサ１１を測定対象体５に対向配置する。この際には、輪状パターン１３，１４間、および輪状パターン１３，１５間にそれぞれ容量Ｃ１および容量Ｃ２が存在する。また、等価的に、輪状パターン１３，１４間には、輪状パターン１３および測定対象体５間の容量Ｃ３と、測定対象体５内の誘電率に応じた容量と、測定対象体５および輪状パターン１４間の容量Ｃ４との直列回路（以下、この直列回路の容量をＣａとする）が形成され、輪状パターン１３，１５間には、輪状パターン１３および測定対象体５間の容量Ｃ３と、測定対象体５内の誘電率に応じた容量と、測定対象体５および輪状パターン１５間の容量Ｃ４との直列回路（以下、この直列回路の容量をＣｂとする）が形成される。この場合、容量Ｃａ，Ｃｂは、測定対象体５の誘電率が大きいほど、大きい容量値となる。
【００２４】
したがって、発振回路２１は、コンデンサ３１の容量、容量Ｃ１，Ｃ２の並列容量、および容量Ｃａ，Ｃｂの並列容量の合成容量と、抵抗３２の抵抗値とからなる発振周波数定数で規定される発振周波数で発振する。この場合、測定対象体５および距離センサ１１間の距離が短くなるほど容量Ｃａ，Ｃｂが大きくなる。このため、発振回路２１は、測定対象体５および距離センサ１１間の距離が短くなるほど低い周波数で発振する。次いで、検波回路２２が、発振回路２１から出力された発振信号ＳO を検波して検波信号ＳD を生成する。この際には、検波回路２２は、発振信号ＳO の周波数が低いほど低電圧値の検波信号ＳD を出力する。したがって、検波信号ＳD の電圧値は、測定対象体５および距離センサ１１間の距離が短くなるほど低電圧となる。次に、ＬＰＦ２３が、検波信号ＳD をろ波することにより検出信号ＳDCをリニアライザ２４に出力する。
【００２５】
続いて、リニアライザ２４は、検出信号ＳDCの電圧値が測定対象体５および距離センサ１１間の距離にほぼ比例するように検出信号ＳDCを直線補正した後、補正後の検出電圧ＳR をＡ／Ｄ変換回路２５に出力する。次いで、Ａ／Ｄ変換回路２５が、検出電圧ＳR をアナログ−ディジタル変換することにより生成した測定データＤM をＣＰＵ２６に出力する。次に、ＣＰＵ２６は、測定データＤM に基づいて距離演算を実行する。この際には、ＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７内の距離データテーブルを参照することにより、測定データＤM に基づいて距離センサ１１および測定対象体５間の距離を演算する。また、ＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７に記憶されている測定対象体５の誘電率に応じて、演算した距離を補正する。つまり、測定対象体５の誘電率が異なると、その誘電率に応じて容量Ｃａ，Ｃｂが増減する。このため、何ら補正しない場合には、発振信号ＳO の発振周波数も変動する結果、演算した距離に誤差が生じる。このため、この補正処理では、測定対象体５の材質を入力することにより、ＣＰＵ２６が、その材質に対応する誘電率に応じて、演算した距離を補正する。この結果、測定対象体５および距離センサ１１間の正確な距離が測定される。次いで、自動的またはオペレータの操作に応じて、ＣＰＵ２６が、演算結果である測定距離を表示部２９に表示させる。
【００２６】
なお、この距離測定装置１では、測定対象体５の表面に凹凸などがある場合、一対の電極としての輪状パターン１３〜１５がそれぞれ輪状に形成されているため、測定対象体５を介しての容量Ｃａ，Ｃｂは、その凹凸などの表面状態による影響を含めた総和の容量として発振回路２１の発振周波数定数の一部となる。この場合、測定対象体５が回転状態および回転停止状態のいずれであっても、また、凹凸などが輪状パターン１３〜１５のどの部位に対向していても、同一距離であれば、その容量Ｃａ，Ｃｂは、常に同一容量となる。したがって、この距離測定装置１は、測定対象体５が回転体であっても、その回転体の回転状態／回転停止状態、およびその表面状態に影響されることなく、常に正確かつ短時間でその距離を測定することができる。
【００２７】
このように、この距離測定装置１では、発振回路２１が輪状パターン１３および輪状パターン１４，１５間の容量と、測定対象体５を介しての容量Ｃａ，Ｃｂとを発振周波数定数の一部とする所定の周波数で発振し、発振回路２１の発振信号ＳO を整流した検波信号ＳD の電圧値に基づいて、距離センサ１１におけるプリント基板１２の表面および測定対象体５間の距離を測定する。このため、この距離測定装置１によれば、測定対象体５の材質を問わず、接続ケーブルによる測定対象体５および発振回路２１間の接続を不要にすることができるため、両者間の距離を迅速に測定することができる。また、複雑なディジタル処理を行うことなく、瞬時に距離を測定できるため、距離測定装置１を簡易に構成でき、これにより、製造コストの低減を図ることができる。加えて、プリント基板１２上に輪状パターン１３〜１５を形成して距離センサ１１を構成したことにより、距離センサ１１全体としての厚みを薄形化することができる。
【００２８】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、発振回路２１の発振信号ＳO を整流した検波信号ＳD の電圧値に基づいて距離を測定しているが、これに限らず、発振信号ＳO の周波数を測定することによって距離を演算することもできる。また、本発明における距離測定装置１は、距離センサ１１および非導電測定対象体間の距離測定に限らず、距離センサ１１および導電測定対象体間の距離を測定できるのは勿論である。
【００２９】
また、本発明の実施の形態では、本発明における一対の電極を円形環状に形成した例について説明したが、これに限定されず、例えば、図３（ａ）に示す距離センサ１１ａのように、一対の電極パターン１３ａ，１４ａを四角形状に形成することもできるし、楕円状、三角形状、多角形状など任意の形状に規定することができる。また、その大きさも、測定対象体の大きさに応じて適宜定めることができる。さらに、一対の電極は、同図（ｂ）に示す距離センサ１１ｂのように、一対の電極パターン１３ｂ，１４ｂを平面視棒状に形成することもできるし、任意の形状に規定することができる。また、距離センサ１１では、３つの輪状パターン１３〜１５を用いた例について説明したが、輪状パターン１５（または１４）は必ずしも必要とされず、輪状パターン１３および輪状パターン１４（または１５）のみで構成することができるのは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の距離測定装置によれば、基準面手段を測定対象体における測定対象平面に対向配置した状態において基準面手段に形成された一対の電極間容量を発振周波数定数の一部とする発振回路の発振周波数または所定のパラメータに基づいて基準面および測定対象体間の距離を測定することにより、測定対象体の材質を問わず測定することができ、しかも、測定対象体および距離測定装置間を接続する接続ケーブルを不要にすることができる結果、その距離を短時間で測定することができる。
【００３１】
また、補正回路が、測定した距離を記憶部に記憶されている測定対象体の誘電率に応じて補正することにより、誘電率が互いに異なる各種材質の測定対象体との間の距離を正確かつ短時間で測定することができる。
【００３２】
さらに、輪状に形成された第１のパターンと、第１のパターンの外周または内周に沿って輪状に形成された第２のパターンとを一対の電極としたことにより、測定対象体が回転体であっても、測定対象体の回転状態／回転停止状態、およびその表面状態に影響されることなく、常に正確かつ短時間でその距離を測定することができる。また、複雑なディジタル処理を行うことなく、瞬時に距離を測定できるため、距離測定装置を簡易に構成でき、これにより、製造コストの低減を図ることができる。
【００３３】
また、請求項２記載の測定装置によれば、非導電体である測定対象体と基準面手段との間の距離を短時間で測定することができるため、液晶やハードディスクと基準面手段との間の距離を確実かつ短時間で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る距離測定装置１のブロック図である。
【図２】測定対象体５および距離センサ１１間の距離を測定する際の説明図である。
【図３】（ａ）は距離センサ１１ａの平面図、（ｂ）は距離センサ１１ｂの平面図である。
【図４】距離センサ１１の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る距離測定装置１および出願人が既に提案している距離測定装置４１における距離センサ１１の斜視図であって、（ａ）は、表面側から見た斜視図、（ｂ）は裏面側から見た斜視図である。
【図６】出願人が既に提案している距離測定装置４１のブロック図である。
【符号の説明】
１距離測定装置
２測定装置本体
５測定対象体
１１距離センサ
１２プリント基板
１３輪状パターン
１４，１５輪状パターン
２１発振回路
２６ＣＰＵ

Claims

一対の電極が形成されて距離測定基準面を形成する基準面手段と、前記一対の電極間の容量を発振周波数定数の一部とする発振回路と、前記発振回路の発振周波数およびその発振周波数に応じて変動する所定のパラメータの少なくとも一方に基づいて前記距離測定基準面および測定対象体間の距離を測定する測定回路と、前記測定対象体の誘電率を記憶する記憶部と、前記測定した距離を前記記憶部に記憶されている前記測定対象体の誘電率に応じて補正する補正回路とを備えると共に、輪状に形成された第１のパターンと、当該第１のパターンの外周または内周に沿って輪状に形成された第２のパターンとを前記一対の電極として備えたプリント基板で前記基準面手段が構成され、かつ、当該基準面手段を前記測定対象体における測定対象平面に対向配置した状態において前記距離を測定可能に構成されていることを特徴とする距離測定装置。
液晶またはハードディスクを前記測定対象体とすることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。