JP6961180B2

JP6961180B2 - 隙間測定装置、測定子

Info

Publication number: JP6961180B2
Application number: JP2017158483A
Authority: JP
Inventors: 篤嶋本; 健尾形
Original assignee: ユニパルス株式会社
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2037-08-21
Also published as: JP2022000657A; JP2019035707A; JP7199676B2

Description

本発明は、対向離間した導電性の被測定物の隙間を非接触で測定を可能にする隙間測定装置とその測定子に関するものである。

従来物体の隙間を測定するには、複数の既知の厚みの金属板を被測定物の隙間に順次挿入して、隙間に入った金属板の抜き差しの感触にて寸法を測っていた。しかしながら測定子が金属板による接触式であることから被測定物に傷を付けてしまうこと、測定者によって測定値が変わることから、これを非接触で測定する静電容量方式の測定装置が公知となっている。

特公昭５９−０４５０８２号国際公開第１９９３／０２４８４４号

特許文献１にて開示されている発明は、静電容量方式の測定装置であって、測定子には測定用の主電極のみが配置されていて、実際に使用するとノイズ等の影響を受けやすく、シールドが必要である。そして特許文献２ではこれにシールドを設けたものが開示されている。そして特許文献１及び特許文献２いずれの発明も主電極の端部では電気力線が湾曲することから、正確に静電容量を測定できないという難点があった。そこで主電極の周囲に電極、いわゆるガード電極を設けて、主電極と同様に交流電源を印加して、主電極の端部における電気力線の湾曲を修正するようにして測定することが知られている。

そして被測定物の隙間を測定するために測定子を平板状として、測定子の裏表各面の近傍位置に主電極を配置すると、印加した交流電流の相互干渉によって測定が不安定になるという課題があった。

また上記の相互干渉を抑制するために主電極、ガード電極及びシールドそれぞれから引き出し線を独立に構成すると、例えば６層を超えるようなプリント配線板を用いることになって内部層間にビアホールを形成する必要が生じ、コスト面で課題があった。また多層化によって測定子の厚みは大きくなってしまい、測定できる最小隙間は大きくなることから狭い隙間の被測定物の測定が困難となっていた。

このような問題に鑑みて本発明は、狭い隙間を有する被測定物を安定して測定できる隙間測定装置及びその測定子を提供することを目的としている。

請求項１に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
導電性の被測定物の隙間に挿入される平板状の測定子と、測定子を接続して被測定物の隙間の距離を測定する測定出力部とを備えた隙間測定装置であって、
測定子の片面側には、第１の電極と、第１の電極の近傍に離間して囲うように設けられた第３の電極と、が配置され、
測定子の反対面側には、第２の電極と、第２の電極の近傍に離間して囲うように設けられた第４の電極と、が配置され、
測定出力部は、
正弦波を発生させる正弦波発生回路を含んで、第１の電極、第３の電極、第２の電極及び第４の電極へ正弦波を基にした交流電流を印加する交流電流発生手段と、
第３の電極及び第４の電極と交流電流発生手段との間に挿入されて、第１の電極と第３の電極、第２の電極と第４の電極をそれぞれ交流的に同電位にするインピーダンス変換器と、
第３の電極及び第４の電極の電圧値をそれぞれ測定して出力する電圧測定手段と、
を備え、
交流電流発生手段は、
第２の電極及び第４の電極へは正弦波の位相をシフトした移相済正弦波を出力する移相回路を含み、
測定出力部は、
電圧測定手段からそれぞれ出力される各電圧値を基に演算して被測定物の隙間距離を測定するように構成されている。

請求項２に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
電圧測定手段は、
第４の電極の電圧信号と、正弦波発生回路から取り出した正弦波を基にした信号と、を乗算する第１の乗算器と、
第３の電極の電圧信号と、移相回路から取り出した移相済正弦波を基にした信号と、を乗算する第２の乗算器と、
第１の乗算器及び第２の乗算器からの出力をそれぞれ直流信号に変換するローパスフィルタと、を備えて構成されている。

請求項３に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
移相回路による位相のシフトが、プラス９０度若しくはマイナス９０度で構成されている。

請求項４に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
第１の電極と第３の電極とが第１の平面を有して設けられ、
第２の電極と第４の電極とが第２の平面を有して設けられ、
第３の電極は、第２の電極を第１の平面に投影した領域を内包するように設けられ、
第４の電極は、第１の電極を第２の平面に投影した領域を内包するように設けられて構成されている。

請求項５に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
第１の電極、第２の電極、第３の電極及び第４の電極がプリント配線パターンにて形成され、
第１の電極と第３の電極が測定子の導体表面層である第１層に設けられ、
第２の電極と第４の電極が測定子の第１層の反対面の導体表面層である第２層に設けられ、
第１の電極から引き出された第１の配線と、第２の電極から引き出された第２の配線がそれぞれスルーホールを経由して第１層と第２層の中間にある中間層に設けられて構成されている。

請求項６に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
測定子は、中間層の第１の配線が、第３の電極に繋がった第３の配線と離間して周囲を囲まれ、第１層の第３の電極及び第２層の第４の電極に挟まれるように配置され、
中間層の第２の配線が、第４の電極に繋がった第４の配線と離間して周囲を囲まれ、第１層の第３の電極及び第２層の第４の電極に挟まれるように配置され、
第１層の第３の電極、第２層の第４の電極、中間層の第３の配線及び第４の配線が、被測定物と電気的に繋がっている第５の配線にて離間してそれぞれ周囲を囲まれて構成されている。

請求項７に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
測定子の中間層が単一層で構成されている。

請求項８に記載の隙間測定装置は、上記の目的を達成するために、
測定子の、第１の電極の第１の平面と、第２の電極の第２の平面とが、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン及びポリエーテルエーテルケトンケトンの少なくとも１つを含む誘電体にて被覆されて構成されている。

請求項９に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
導電性の被測定物の隙間の距離を測定する隙間測定装置の測定出力部に接続して使用される測定子であって、
測定子の片面側には、第１の電極と、第１の電極の近傍に離間して囲うように設けられた第３の電極と、が配置され、
測定子の反対面側には、第２の電極と、第２の電極の近傍に離間して囲うように設けられた第４の電極と、が配置され、
測定出力部は、
正弦波を発生させる正弦波発生回路を含んで、第１の電極、第３の電極、第２の電極及び第４の電極へ正弦波を基にした交流電流を印加する交流電流発生手段と、
第３の電極及び第４の電極と交流電流発生手段との間に挿入されて、第１の電極と第３の電極、第２の電極と第４の電極をそれぞれ交流的に同電位にするインピーダンス変換器と、
第３の電極及び第４の電極の電圧値をそれぞれ測定して出力する電圧測定手段と、
を備え、
交流電流発生手段は、
第２の電極及び第４の電極へは正弦波の位相をシフトし、移相済正弦波として出力する移相回路を含み、
測定出力部は、
電圧測定手段からそれぞれ出力される各電圧値を基に演算して被測定物の隙間距離を測定するように構成されている。

請求項１０に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
電圧測定手段は、
第４の電極の電圧信号と、正弦波発生回路から取り出した正弦波を基にした信号と、を乗算する第１の乗算器と、
第３の電極の電圧信号と、移相回路から取り出した移相済正弦波を基にした信号と、を乗算する第２の乗算器と、
第１の乗算器及び第２の乗算器からの出力をそれぞれ直流信号に変換するローパスフィルタと、を備えて構成されている。

請求項１１に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
移相回路による位相のシフトが、プラス９０度若しくはマイナス９０度で構成されている。

請求項１２に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
第１の電極と第３の電極とが第１の平面を有して設けられ、
第２の電極と第４の電極とが第２の平面を有して設けられ、
第３の電極は、第２の電極を第１の平面に投影した領域を内包するように設けられ、
第４の電極は、第１の電極を第２の平面に投影した領域を内包するように設けられて構成されている。

請求項１３に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
第１の電極、第２の電極、第３の電極及び第４の電極がプリント配線パターンにて形成され、
第１の電極と第３の電極が測定子の導体表面層である第１層に設けられ、
第２の電極と第４の電極が測定子の第１層の反対面の導体表面層である第２層に設けられ、
第１の電極から引き出された第１の配線と、第２の電極から引き出された第２の配線がそれぞれスルーホールを経由して第１層と第２層の中間にある中間層に設けられて構成されている。

請求項１４に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
中間層の第１の配線が、第３の電極に繋がった第３の配線と離間して周囲を囲まれ、第１層の第３の電極及び第２層の第４の電極に挟まれるように配置され、
中間層の第２の配線が、第４の電極に繋がった第４の配線と離間して周囲を囲まれ、第１層の第３の電極及び第２層の第４の電極に挟まれるように配置され、
第１層の第３の電極、第２層の第４の電極、中間層の第３の配線及び第４の配線が、被測定物と電気的に繋がっている第５の配線にて離間してそれぞれ周囲を囲まれて構成されている。

請求項１５に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
中間層が単一層で構成されている。

請求項１６に記載の測定子は、上記の目的を達成するために、
第１の電極の第１の平面と、第２の電極の第２の平面とが、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン及びポリエーテルエーテルケトンケトンの少なくとも１つを含む誘電体にて被覆されて構成されている。

請求項１に記載の発明の隙間測定装置によれば、測定用の第１の電極に対して反対方向を向く測定用の第２の電極へは位相をシフトした交流電流を印加して、各電極とグランド間の電圧を測定することによって、相互干渉を減らして被測定物を非接触で測定可能にする隙間測定装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、電圧測定手段に乗算器を設けて、元の正弦波側のガード電極の電圧とシフトした方形波とを乗算し、シフトした側のガード電極の電圧と元の方形波とを乗算していることから、相互干渉の影響を排除して被測定物を高精度に非接触で測定可能にする隙間測定装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、シフトする側の交流電流の位相をプラス９０度若しくはマイナス９０度とすることにより、相互干渉の影響を最も減らして被測定物をさらに高精度に非接触で測定可能にする隙間測定装置を提供することができる。

請求項４に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、第１の電極及び第２の電極の測定子内部側の面に対向してそれぞれ第４の電極及び第３の電極を配置していることから、第１の電極及び第２の電極のそれぞれ端部の電気力線の状態を改善して、高精度な隙間測定装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、プリント配線板の製造工法によって実現することができ、安価な測定子を提供できる。また第１の電極から引き出された第１の配線と、第２の電極から引き出された第２の配線と、がスルーホールを経由して中間層に設けられているため、外部から侵入するノイズからの耐性を高めることができる。

請求項６に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、中間層の第１の配線が第３の電極と繋がった第３の配線にて周囲を囲まれ、面方向は第３の電極と第４の電極に挟まれ、さらにこの第３の配線が、被測定物と繋がっているグランドの第５の配線にて周囲を囲まれている。また中間層の第２の配線が第４の電極と繋がった第４の配線にて周囲を囲まれ、面方向は第３の電極と第４の電極に挟まれ、さらにこの第４の配線が、被測定物と繋がっているグランドの第５の配線にて周囲を囲まれている。したがって測定子内部に生ずる測定に係る静電容量の影響を排除するとともに、ノイズからの耐性を高めることができる。すなわち測定子内部側における第１の電極とグランド間、第２の電極とグランド間の静電容量はゼロとなるように配置されている。

請求項７に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、中間層が単一層であることあることから、測定子は全体で３層となって薄くなり、層数が少ないことからコスト低減を図ることができる。また少ない層数の薄い測定子を用いて、狭い隙間を有する被測定物を測定可能にする隙間測定装置を提供することができる。

請求項８に記載の発明の隙間測定装置によれば上記効果に加えて、各電極平面がフィルムのラミネート若しくはスピンコートなどの製法によって所定の厚みで容易に被覆され、各電極平面を保護することができる。

本発明の実施形態に係る隙間測定装置における測定出力部と測定子を接続した際の平面模式図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置における測定出力部と測定子を使用して被測定物の隙間を測定する際の模式図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置の測定子の先端部分を各層毎に示した斜視構成図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置における測定子のＡＡ断面模式図と測定出力部の電気回路のブロック図を合わせて示した図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置における測定子の模式図と測定出力部の電気回路図を合わせて示した図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置と被測定物間の静電容量の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置による測定に係る各信号の波形を示した図である。本発明の実施形態に係る隙間測定装置による測定に係る各信号の波形を示した図である。

以下、本発明の実施形態に係る隙間測定装置について、図面を基に詳細な説明を行う。図１は本発明の実施形態に係る隙間測定装置１であって、測定出力部２に、被測定物の隙間に挿入して用いる測定子３を接続した際の平面模式図である。

隙間測定装置１は、箱型の測定出力部２と平板状の測定子３で構成されている。

測定出力部２は、測定者が手に持って可搬できる箱型形状であり、その表面には電源スイッチ、測定操作を行う釦、測定値等を表示する表示部を有して、内部には電源と後述の電気回路及び電気部品が配置されている。

測定子３は、平板状のプリント配線板の構造を有し、測定出力部２に設けられたコネクタに係合する挿抜可能な接点端子部を有している。したがって隙間測定装置１は、測定子３の折れなどの損傷や劣化時には測定子３を交換して測定を行うことができる。

図２は本発明の実施形態に係る隙間測定装置１における測定出力部２と測定子３を使用して被測定物の隙間を測定する際の模式的に表した図である。

被測定物１００ａ、被測定物１００ｂは、導電性の金属であって、その隙間距離がＤである。そして被測定物１００ａと被測定物１００ｂは、測定出力部２とグランドライン８で繋がれている。被測定物１００ａと被測定物１００ｂは、一体のもので構成されてあっても良い。被測定物１００ａと被測定物１００ｂは別体で構成されたものでも良いが、その時は互いにグランドライン８で導通されている。

被測定物１００ａと被測定物１００ｂの隙間の実際の測定は、グランドライン８を測定出力部２に繋いだ状態で、測定子３を被測定物１００ａと被測定物１００ｂの隙間に挿入し、測定出力部２の測定指示釦を押すことで行うことができる。

図３は本発明の実施形態に係る隙間測定装置１の測定子３の先端部分を各層毎に示した斜視構成図である。本実施形態では測定子３は３層の銅箔の導体パターンを有するプリント配線板である。プリント配線パターンの各導体パターンは、積層した銅箔をエッチングして形成したものであって通常の多層積層プリント配線板の製造方法で製造が可能なものである。

図３（Ｌ１）は測定子３の片面側の導体表面層である第１層にある導体パターンを示している。主電極をなす円形の第１の電極４が、測定子３の先端部中央に配置されていて、この第１の電極４の上面側、例えば図２において被測定物１００ａに対向する片側面が第１の平面３１である。

そしてガード電極をなす第３の電極６ａが、第１の電極４近傍に離間して周囲を囲むリング状のパターンで設けられていて、この第３の電極６ａの上面側、すなわち被測定物１００ａに対向する面も同一の第１の平面３１である。第１の電極４と第３の電極６ａは同じ導体箔から形成されるので同じ平面を有している。さらに第５の配線２７が、この第３の電極６ａ近傍に離間して周囲を囲むリング状のパターンにて、被測定物１００ａ、１００ｂ及びグランドライン８と繋がって設けられている。

さらに第３の電極６ｂが、この第５の配線２７近傍に離間して周囲を囲むリング状のパターンで設けられている。そして再度さらに第５の配線２７が、この第３の電極６ｂ近傍に離間して周囲を囲むリング状及び配線のパターンで設けられている。

また第３の電極６ａ、６ｂは、測定子３の先端部から測定出力部２に接続されるように配線で構成された延伸部を有している。

図３（Ｍ）は測定子３の内層である中間層にある導体パターンを示していて、この中間層は単一層である。第１の配線２３が、第１の電極４から非貫通スルーホール２１ａを経由して接続され、第１の配線２３は測定出力部２に接続されるように設けられている。

第３の配線２５が、第１の配線２３近傍に囲むように設けられている。第３の配線２５は貫通スルーホール２２ａにて第１層の第３の電極６ａと接続されている。さらに第５の配線２７が、第３の配線２５近傍に周囲を囲むように設けられ、第５の配線２７は第１層にある第５の配線２７と同じ位置で、かつ同じ形状である。

図３（Ｌ２）は測定子３の反対面側の導体表面層となっている第２層にある導体パターンを示している。第４の電極７ａが、第１層にある第３の電極６ａの外周と同じ寸法の円弧を外周として設けられている。この第４の電極７ａの下面側、すなわち被測定物１００ｂに対向する反対面が、第１の平面３１に平行な第２の平面３２である。したがって第４の電極７ａは、第１層の第１の電極４を第２の平面３２に投影した領域を内包するように設けられている。

第４の電極７ａの形状は円とそこから引き出される配線延伸部を有した形状である。そして貫通スルーホール２２ａによって第１層の第３の電極６ａ及び中間層の第２の配線２４と接続されている。

また第５の配線２７が、第４の電極７ａ近傍に囲むように設けられている。この第５の配線２７は第１層の第５の配線２７と相対的に同一位置で同一形状であって、貫通スルーホール２２ｃによって接続されている。

さらに第４の電極７ｂが、第５の配線２７近傍に離間して囲むように設けられている。第４の電極７ｂは第４の電極７ｃと円弧の両端部で繋がっていて、半径方向において円弧状の中抜きした部分を有している。第４の電極７ｃの円弧の端部付近には貫通スルーホール２２ｂが設けられ、第１層の第３の電極６ｂに接続されている。

そして主電極である第２の電極５が、第４の電極７ｂと第４の電極７ｃに挟み込まれるように設けられている。本実施形態では第２の電極５は円弧状のパターンであってその面積は第１層にある第１の電極４の面積と等しくなるように設けられているが、これに限るものではない。第１の電極４の面積と第２の電極５の面積とを同じにすることで、後述のように計算は簡素化される。また第１層の第３の電極６ｂは、この第２の電極５を第１の平面３１に投影した領域を内包するように設けられている。

図３（Ｍ）に戻って、中間層には第２の配線２４があって、第２の配線２４は非貫通スルーホール２１ｂを経由して第２層の第２の電極５に接続されている。そして第４の配線２６が、この第２の配線２４近傍に囲むように配置されている。この第４の配線２６は、第１層にある第３の電極６ｂ及び第２層にある第４の電極７ｃと貫通スルーホール２２ｂで接続されている。またこの第４の配線２６も第５の配線２７によって周囲を囲まれている。

一方、中間層の第１の配線２３は、第１層の第３の電極６ａの延伸部と第２層の第４の電極７ａの延伸部にて両面を覆われている。また中間層の第２の配線２４は、第１層の第３の電極６ｂの延伸部と第２層の第４の電極７ｂ、７ｃの延伸部にて両面を覆われている。

図４は本発明の実施形態に係る隙間測定装置１の、図１における測定子３のＡＡ断面の模式図である。

対向している被測定物１００ａと被測定物１００ｂが一体の金属で電気的に導通となっている場合には不要であるが、もし被測定物１００ａと被測定物１００ｂが別体の部材である場合には両者をグランドライン８にて導通させておく。そして被測定物１００ａ及び被測定物１００ｂのいずれかからグランドライン８を引き出した配線が、測定出力部２のグランドを介して測定子３の第５の配線２７へ繋がっている。

測定子３の、第１の平面３１側と第２の平面３２側には誘電体９が設けられていて、の第１の電極４や、第２の電極５等を被覆して保護層を形成して外部環境から保護している。誘電体９は例えば、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン及びポリエーテルエーテルケトンケトンの少なくとも１つである。誘電体９はフィルムをラミネート若しくは対象の液体をスピンコートで塗布するなどの手法で形成される。したがって誘電体９の厚みは保護層の形成の工程によって非常に正確に規定することができて後述の計算を容易にする。

また第１の平面３１と第２の平面３２の距離がｔであって、第１の電極４と第２の電極５と中間層の厚みの総和である。

図５は本発明の実施形態に係る隙間測定装置における測定子の模式図と測定出力部の電気回路のブロック図を合わせて示した図である。

正弦波発生回路１０は、測定出力部２の内部のグランドにその一端が繋がっていて、発振器を有して正弦波を発生させる。正弦波発生回路１０の出力は定電流化回路１２ａによって定電流化され、第１の電極４に繋がっている。そして正弦波発生回路１０の出力は途中で分岐されて、移相回路１１を通って移相済正弦波となり、さらに定電流化回路１２ｂによって定電流化され、第２の電極５に繋がっている。移相回路１１は、正弦波発生回路１０から出力された正弦波の位相をプラス側若しくはマイナス側へシフトするものであある。

定電流化回路１２ａからの出力は途中で分岐されて、一方は第１の電極４に繋がり、もう一方はインピーダンス変換器１３ａを経由して第３の電極６ａと第４の電極７ａに繋がっている。さらに定電流化回路１２ｂからの出力は途中で分岐されて、一方は第２の電極５に繋がり、もう一方はインピーダンス変換器１３ｂを経由して第４の電極７ｂ、７ｃと第３の電極６ｂに繋がっている。インピーダンス変換器１３ａ及びインピーダンス変換器１３ｂによって、第１の電極４と第３の電極６ａ、第２の電極５と第４の電極７ｂ、７ｃは交流的に同電位になるので、第１の電極４から第３の電極６ａ、第２の電極５から第４の電極７ｂ、７ｃへ電流が流れることがなく、第１の電極４と第３の電極６ａ間及び第２の電極５と第４の電極７ｂ、７ｃ間の静電容量の影響をキャンセルすることができる。本発明ではインピーダンス変換器１３ａ及びインピーダンス変換器１３ｂはバッファーアンプを用いている。

そしてグランドライン８と繋がった測定出力部２の内部のグランドは、測定子３内の第３の配線２５に繋がっている。

電圧測定手段１４ａは、インピーダンス変換器１３ａの電圧出力に繋がり、第３の電極６ａの電圧を測定して出力する。また電圧測定手段１４ｂは、インピーダンス変換器１３ｂの出力に繋がり、第４の電極７ｂ、７ｃの電圧を測定して出力する。電圧測定手段１４ａ、１４ｂはいずれもガード電極側の電圧を測定するようにしており、前述の通り主電極とガード電極の交流的な電位は同じであって、ガード電極側の方が主電極よりインピーダンスが低い回路構成となっており、外乱の影響を受けにくく、安定に測定をすることができる。

電圧測定手段１４ａは、バンドパスフィルタ１５ａ、増幅器１６ａ、第１の乗算器１７ａ、ローパスフィルタ１９ａを直列に配置したものを含んでいる。バンドパスフィルタ１５ａは、インピーダンス変換器１３ａの電圧出力に繋がってノイズを除去し、次いで増幅器１６ａは電圧信号を増幅する。さらに第１の乗算器１７ａは、増幅された電圧信号と、移相回路１１にて移相された移相済正弦波Ｒｅｆ_２を取り出して方形波変換器１８ａにて方形波に変換したものと、を乗算して出力する。そしてローパスフィルタ１９ａによって電圧値を直流信号にて出力する。なお方形波変換器１８ａは後述の計算を容易にするために設けられているのであって、必ずしも必要ではない。

電圧測定手段１４ｂは、バンドパスフィルタ１５ｂ、増幅器１６ｂ、第２の乗算器１７ｂ、ローパスフィルタ１９ｂを直列に配置したものを含んでいる。バンドパスフィルタ１５ｂは、インピーダンス変換器１３ｂの電圧出力に繋がってノイズを除去し、次いで増幅器１６ｂは電圧信号を増幅する。さらに第２の乗算器１７ｂは、増幅された電圧信号と、移相回路１１にて移相していない元の正弦波Ｒｅｆ_１を取り出して方形波変換器１８ｂにて方形波に変換したものと、を乗算して出力する。そしてローパスフィルタ１９ｂによって電圧値を直流信号にて出力する。なお方形波変換器１８ｂも後述の計算を容易にするために設けられているのであって、必ずしも必要ではない。

ここで図３、図４及び図５により以下のことが判る。第１の電極４は、同一層内では周囲を第３の電極６ａにて囲まれると同時に、測定子３の内部側においては第４の電極７ａによって囲まれる。一方第２の電極５の周囲は、同一層内では周囲を第４の電極７ｂ、７ｃにて囲まれると同時に、測定子３の内部側においては第３の電極６ｂによって囲まれる。第３の電極６ａ、６ｂ、第４の電極７ａ、７ｂ、７ｃはいわゆるガード電極であって、測定電極である第１の電極４及び第２の電極５の端部の電気力線を整える役割を成している。そしてガード電極の周囲にはさらにグランドライン８と繋がった第３の配線２５が配置されていて、ノイズの影響を低減する役目をなしている。

そして第１の電極４から引き出された第１の配線２３は、同一層内では周囲を第３の配線２５、面方向を第１層の第３の電極６ａの延伸部と第２層の第４の電極７ａの延伸部とで囲まれている。第２の電極５から引き出された第２の配線２４は、同一層内では周囲を第４の配線２６、面方向を第１層の第３の電極６ｂの延伸部と第２層の第４の電極７ｂ、７ｃの延伸部とで囲まれている。ゆえに測定子内部における静電容量が、測定子３と被測定物１００ａ、１００ｂとの隙間の静電容量に影響を与えないように、ガード電極が設けられている。

この構成で、交流電流発生手段２０により交流電流を発生させて第１の電極４と第２の電極５に印加し、電圧測定手段１４ａと電圧測定手段１４ｂからの電圧値の出力を得て、次に説明する計算式を用いて演算することで、被測定物１００ａと被測定物１００ｂの隙間距離Ｄが測定できる。

図６は本発明の実施形態に係る隙間測定装置と被測定物間の静電容量の構成を示す模式図である。

第１の電極４と被測定物１００ａ間の静電容量Ｃ_１の成分は、第１の平面３１側では測定子３の表面にある厚みｔ_１の誘電体９の静電容量Ｃ_Ｓ１と、誘電体９と被測定物１００ａ間の距離ｄ_１の静電容量Ｃ_０１との直列の合成容量である。一方測定子３内部においては、第１の電極４と、グランドライン８に繋がった第３の配線２５と、の静電容量Ｃ_ｉ１はゼロとなるように構成されている。同様に、第２の電極５と被測定物１００ｂ間の静電容量Ｃ_２の成分は、第２の平面３２側では測定子３の表面にある厚みｔ_２の誘電体９の静電容量Ｃ_Ｓ２と、誘電体９と被測定物１００ｂ間の距離ｄ_２の静電容量Ｃ_０２との直列の合成容量である。一方測定子３内部においては、第２の電極５と、グランドライン８に繋がった第３の配線２５と、の静電容量Ｃ_ｉ２も同様にゼロとなるように構成されている。

したがって第１の電極４と被測定物１００ａ間の静電容量Ｃ_１は次の式で表すことができる。

また第２の電極５と被測定物１００ｂ間の静電容量Ｃ_２は次の式で表すことができる。

第１の電極４の第１の平面３１上の面積をＡ、測定子３の表面にある厚みｔ_１及び厚みｔ_２の誘電体９の比誘電率をεｓ（既知）とすると、第２の電極５の第２の平面３２上の面積もＡであって、各静電容量は次の式で表すことができる。なおε_０は真空誘電率である。

図７は本発明の実施形態に係る隙間測定装置による測定に係る各信号の波形を示した図である。以下に本発明の隙間測定装置を用いて被測定物の隙間が測定できることについての詳細を示す。

図７（ａ）は正弦波発生回路１０から出力された正弦波Ｒｅｆ_１である。一方図７（ｂ）は正弦波発生回路１０から出力された正弦波Ｒｅｆ_１の位相を移相回路１１にて９０度遅れて出力した移相済正弦波Ｒｅｆ_２を示している。

したがって図７（ｃ）は定電流化回路１２ａから出力された電流Ｉ_１の波形である。一方図７（ｇ）は定電流化回路１２ｂから出力された電流Ｉ_２の波形であって、Ｉ_１に対して９０度遅れた位相となっている。なお本実施形態ではＩ_１との絶対値とＩ_２の絶対値は等しくなるように定電流化回路１２ａと定電流化回路１２ｂは設定されている。

上述の静電容量成分により、第３の電極６ａ側の電圧ｖ_１は電流Ｉ_１に対して９０度遅れるので、電圧測定手段１４ａに入力される電圧ｖ_１は式（７）で表される。なおωは角周波数である。

式（７）に式（３）と式（５）を代入して整理すると、電圧ｖ_１は式（８）及び図７（ｄ）で表される

次に、電圧測定手段１４ａの第１の乗算器１７ａに入力される方形波変換器１８ａからの出力ｖ_ｒ２は式（９）及び図７（ｅ）で表される。

したがって、第１の乗算器１７ａでこのｖ_１とｖ_ｒ２を乗算した結果の出力Ｖ_１は式（１０）及び図７（ｆ）で表される。

一方、第４の電極７ｂ、７ｃ側の電圧ｖ_２は、電流Ｉ_２に対して９０度遅れるので電流Ｉ_１に対して総計で１８０度遅れる。したがって電圧測定手段１４ｂに入力される電圧ｖ_２は式（１１）及び図７（ｈ）で示される。

そして上述のようにＩ_１との絶対値とＩ_２の絶対値は等しくなるように設定していることから式（１１）は式（１２）と表される。

一方電圧測定手段１４ｂの第２の乗算器１７ｂに入力される方形波変換器１８ｂからの出力ｖ_ｒ１は式（１３）及び図７（ｉ）で表される。

第２の乗算器１７ｂでこのｖ₂とｖ_ｒ1を乗算した結果の出力Ｖ₂は式（１４）及び図７（ｊ）で表される。

図８に移相回路１１によってＩ_２を９０度進ませた場合の測定に係る各信号のタイミングを示す。計算の方法は上述と同じであり、結果としてＶ_１はマイナス側（図８（ｆ）参照）、Ｖ_２はプラス側（図８（ｊ）参照）に出力される。よって位相のシフトはプラス９０度でもマイナス９０度でも構わないことが判る。

次いでＶ_１、Ｖ_２は、ローパスフィルタ１９ａ、１９ｂによってそれぞれ直流信号のＶａ、Ｖｂにて出力され、これが電圧測定手段１４ａ、１４ｂからの電圧値出力となる。

ここでｔ、ｔ_１、ｔ_２は既知であることから、隙間距離Ｄは式（１５）によって求めることができる。

なお隙間距離Ｄが既知の被測定物を予め用意して較正を行えば、ｔ、ｔ_１、ｔ_２が既知でない場合であっても測定は可能となる。

本発明の実施形態によれば、測定子の上面に配置した測定用電極に対して下面に配置した測定用電極は移相された交流電流が印加されている。そしてたとえ第３の電極６ａの電圧ｖ_１の成分などが第２の乗算器１７ｂへ入って来たとしても（図７（ｋ）参照）、方形波変換器１８ｂからの出力ｖ_ｒ１を用いて乗算しているため（図７（ｌ）参照）、出力成分は図７（ｍ）に示すような状態となってプラス成分とマイナス成分が同じく表れることから、これを打ち消すことができる。

また測定用の主電極はガード電極とグランドで周囲を囲まれた形状で設けられていることから、少ない層数の測定子によって被測定物の隙間を測定することが可能となっている。測定子の層数を少なくすることで、コストを低減できるとともに、薄い測定子を実現できることから狭い隙間の被測定物を測定も可能にしている。例えば、プリント配線板のベース及び保護の誘電体に１２．５μｍの厚みのポリイミドフィルムを用いて、１２μｍ厚みの導体銅箔でスルーホールを形成すると、総厚みが０．１５ｍｍより小さい測定子が実現できる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の活用例として、産業機械の金属部材の隙間などを測定する隙間測定装置への適用が可能である。

１：隙間測定装置
２：測定出力部
３：測定子
４：第１の電極（主電極）
５：第２の電極（主電極）
６ａ、６ｂ：第３の電極（ガード電極）
７ａ、７ｂ、７ｃ：第４の電極（ガード電極）
８：グランドライン
９：誘電体
１０：正弦波発生回路
１１：移相回路
１２ａ、１２ｂ：定電流化回路
１３ａ、１３ｂ：インピーダンス変換器（バッファーアンプ）
１４ａ、１４ｂ：電圧測定手段
１５ａ、１５ｂ：バンドパスフィルタ
１６ａ、１６ｂ：増幅器
１７ａ：第１の乗算器
１７ｂ：第２の乗算器
１８ａ、１８ｂ：方形波変換器
１９ａ、１９ｂ：ローパスフィルタ
２０：交流電流発生手段
２１ａ、２１ｂ：非貫通スルーホール
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ：貫通スルーホール
２３：第１の配線（主ライン）
２４：第２の配線（主ライン）
２５：第３の配線（ガードライン）
２６：第４の配線（ガードライン）
２７：第５の配線（グランドライン）
３１：第１の平面
３２：第２の平面
１００ａ、１００ｂ：被測定物

Claims

導電性の被測定物の隙間に挿入される平板状の測定子と、前記測定子を接続して前記被測定物の前記隙間の距離を測定する測定出力部とを備えた隙間測定装置であって、
前記測定子の片面側には、第１の電極と、前記第１の電極の近傍に離間して囲うように設けられた第３の電極と、が配置され、
前記測定子の反対面側には、第２の電極と、前記第２の電極の近傍に離間して囲うように設けられた第４の電極と、が配置され、
前記測定出力部は、
正弦波を発生させる正弦波発生回路を含んで、前記第１の電極、前記第３の電極、前記第２の電極及び前記第４の電極へ前記正弦波を基にした交流電流を印加する交流電流発生手段と、
前記第３の電極及び前記第４の電極と前記交流電流発生手段との間に挿入されて、前記第１の電極と前記第３の電極、前記第２の電極と前記第４の電極をそれぞれ交流的に同電位にするインピーダンス変換器と、
前記第３の電極及び前記第４の電極の電圧値をそれぞれ測定して出力する電圧測定手段と、
を備え、
前記交流電流発生手段は、
前記第２の電極及び前記第４の電極へは前記正弦波の位相をシフトした移相済正弦波を出力する移相回路を含み、
前記測定出力部は、
前記電圧測定手段からそれぞれ出力される前記各電圧値を基に演算して前記被測定物の隙間距離を測定することを特徴とする隙間測定装置。
前記電圧測定手段は、
前記第４の電極の電圧信号と、前記正弦波発生回路から取り出した前記正弦波を基にした信号と、を乗算する第１の乗算器と、
前記第３の電極の電圧信号と、前記移相回路から取り出した前記移相済正弦波を基にした信号と、を乗算する第２の乗算器と、
前記第１の乗算器及び前記第２の乗算器からの出力をそれぞれ直流信号に変換するローパスフィルタと、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の隙間測定装置。
前記移相回路による位相のシフトが、プラス９０度若しくはマイナス９０度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の隙間測定装置。