JPH03257325A - 静電容量型変位検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、機械的な変位量を静電容量の変化量として
電気信号に変換するようにした静電容量型変位検出器の
構造に関するものであり、特に、同一中心線上に互いに
近接して設けられた複数のリング状の円筒電極と、これ
ら円筒電極とそれぞれ一定の隙間をもって同軸的に配置
された共通電極と、上記円筒電極のうちのひとつである
可変電極と共通電極との隙間内を軸方向に移動可能に支
持されたスピンドルと一体の円筒状のスクリーンとを含
み、このスクリーンの機械的な変位量を、円筒電極と共
通電極からなる容量の変化量として電気的に検出するよ
うにした静電容量型変位検出器の構造の改良に関する。

〈従来の技術〉 従来のこの種の静電容量型変位検出器としては、例えば
英国特許第１３４７２３５号公報に開示されているもの
がある。

第４図はこの従来の静電容量型変位検出器の構造を示す
断面図である。

図に示すように、円筒状ケース５１の内筒５１ａ内面に
は絶縁部材５４によって互いに絶縁された円筒状の第１
電極５２と円筒状の第２電極５３が同軸的に設けられて
いる。

この電極５３の電極５２と反対側の図中右側には、絶縁
部材５６により電極５３から絶縁されたガードリング５
５が設けられている。

又、共通電極５７は円柱状のロッドからなり、その図中
右端がケース５１の小径段部内筒５　ｌ　ｂに絶縁部材
５８を介して電極５２．５３に対して同軸となるように
取り付けられている。

この共通電極５７の軸心にはネジ穴５９が穴あけされて
おり、そこにセットネジ６０がネジ込まれている。又、
この共通電極５７の側面には、ネジ穴５９と出合うよう
に複数の穴６１が穴あけされており、セラ１〜ネジ６０
の位置の調整によって、電極５３と対向する共通電極５
７の面積を調整して、目的に応じて電極５３．５７間の
容量の調整を可能としている。

スクリーン６２は、電極５２．５７間の隙間内を軸方向
に動くことが可能なように、ケース５１の端部にある軸
受６３により摺動自在に支持されている。この軸受６３
は絶縁部材６４によって電極５２と絶縁されている。

又、電極５２．５３からのリード線６５．６６は、ケー
ス５１の内筒５　］、　ａと各電極及び絶縁部材の外周
との隙間を通ってスクリーン６２の収納側とは反対側の
ケース５１の図中右端部で電気測定装置のケーブル７０
に連結できるように引き出されている。

更に、ガードリング５５からのリード線６７は、アース
電位に接続されるため、他のリード線と同じくケース５
１の図中右端部に引き出されている。

又、共通電極５７からのリード線６８も゛同じくケース
５１の図中右端部でケーブル７１に連結されている。

ケース５１の図中右端部にはこれを覆うカバー６９が取
り付けられており、このカバー６９によりリード線６５
．６６．６７及び６８は保護されている。

この検出器における絶縁部材６４、第１電極５２、絶縁
部材５４、第２電極５３、絶縁部材５６及びガートリン
グ５５は、この順序で順次圧入なとの手段により連続結
合されており、その図中最も左端に位置する絶縁部材６
４か軸受６３に連結されることにより、この絶縁部材６
４からガードリング５５までの一連の部材は軸受６３に
よって、片持状態で支持される。

上記構造からなる検出器においては、共通電極５７と第
１電極５２との間に容量Ｃ１が形成され、共通電極５７
と第２電極５３との間に容量Ｃ２が形成される。

この容量Ｃ４は、スクリーン６２が電極５７．５２の隙
間内を軸方向に移動すると可変される。

一方、容量Ｃ２は、スクリーン６２が電極５７．５３と
の間に入り込まないので、変化せず一定に保たれる。

このため、共通電極５７から検出される容量Ｃ１Ｃ２の
差分（Ｃ２Ｃ１）かスクリーン６２の変位に比例して変
化し、これによりスクリーン６２の変位を検出するもの
である。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記構成からなる検出器におて、その直線性精度を確保
するためには、円筒状の電極と共通電極とを精度良く同
軸となるように組立て、しかもこの同軸関係を長期間に
亘って安定して保持することが必要である。このような
条件は、サブミクロンオーダーの高分解能、高精度の検
出器であればあるほど厳しく要求される。

上記従来の検出器における円筒状の第１電極５２は、そ
の図中左端側で絶縁部材６４を介して軸受６２に片持状
態で支持されており、しかもその図中右端側には他の複
数の円筒状部材がこの第１電極５２により支持されるよ
うに連結された構造となっている。

このため、第１電極５２及びその他軸骨６２に連結支持
される円筒状部材は、共通の基準ガイド面を基準として
組立てられていないので、同軸度を充分に確保して組立
てることが難しかった。

又、第１電極５２の図中右側に順次連結される部品５４
．５３．５６．５５の自重による静荷重はこの第１電極
５２に常に負荷としてかかつており、振動や衝撃が加わ
ると動荷重が付加されて更に第１電極５２にまともに加
わるため、第１電極５２は位置ずれしやすく不安定なも
のとなっていた。このような位置ずれは、特に測長範囲
を長く取るために第１電極５２の長さを長くすると、よ
り一層顕著に現れ、改善することが必要であった。

更に、第２電極５３も、軸受６３を支点とする片持梁の
先端側に位置しているので、振動や衝撃などの外力によ
り第１電極５２よりも更に位置ずれしやすく、共通電極
５７とによって形成する一定の基準容量である容量Ｃ２
に変化をきたしやすい構造となっていた。特にこの検出
器においては、一定の基準容量Ｃ２と変位に応じて可変
される容量Ｃ１との差分を検出しているため、基準容量
Ｃ２が変化しやすいということが致命的な欠点となって
いた。

要するに、従来の検出器における円筒状電極の支持構造
としては、電極が軸受６３に片持梁状態で連結されてお
り、径方向及び軸方向に位置規制されていないため、組
立て時に電極の同軸度を確保することが困難であり、又
振動、衝撃などの外力により電極が位置ずれしやすく、
共通電極との同軸度や一定した容量を保持しつづけるこ
とが困難であるという課題があった。

本発明の目的は、上述した従来例の欠点を解消し、組立
てやすく、しかも容易に円筒状電極と共通電極との同軸
度が得られ、更に振動や衝撃などの外力に対しても位置
ずれすることなく安定した直線性精度を長期間に亘って
確保でき、サブミクロンオーダーの高分解能、高精度の
検出に対応した静電容量型変位検出器を提供することに
ある。

く課題を解決するための手段〉 本発明の静電容量型変位検出器は、内筒面とその一端部
に設けられた段部とを有する円筒形状のケースと、その
中に収納され且つ同軸的に配置される円筒状の可変電極
及び基準電極と、これらの電極の内周面に対して一定の
隙間をもって配置される円柱形状の共通電極と、これら
の電極を支持する支持部材と、円筒面の他端部に取り付
けられるリングネジと、可変電極と共通電極との間の隙
間内を軸方向に移動可能に支持されたスクリーンとから
なるものである。

特にこの検出器における可変電極、基準電極及び支持部
材は、段部とリングネジとの間に挟持されることにより
軸方向に位置規制されると共に、内筒面を基準として径
方向に位置規制されている。

く作用〉 本発明の検出器における可変電極、基準電極及び支持部
材は、ケースの段部とケースに取り付けられるリングネ
ジとの間に挟持されて軸方向に位置規制されている。

従って、この電極等は確実にその両端部が支持されるこ
とになり、外力による位置ずれが生じることがなくなる
。

又、この電極等は、ケースの内筒面を基準として径方向
に位置規制されているので、組立て時に同軸度を精度良
く得ることが可能となる。

〈実施例〉 以下本発明の好適な実施例について図面に基づいて説明
する。

第１図（Ａ）及び第１図（Ｂ）は本発明の一実施例に係
る静電容量型変位検出器の断面図を中央にて分断した断
面半載図であり、第２図は第１図（Ｂ）に示されている
絶縁部材１０近傍の拡大図である。

１は円筒状のケースであり、図中左右に開口しており、
その左右開口端内面にはそれぞれネジ部１ａ、１Ｃが設
けられている。

２は円筒状の可変電極であり、３は同じく円筒状の基準
電極で、これら二つの電極２．３は、ケース１の内筒面
１ｄによりガイドされた三つの略リング状をなす絶縁部
材４．１０．５により互いに絶縁されると共に同軸的に
支持されている。

この絶縁部材４．５には、可変電極２と基準電極３の各
一端部が挿入されており、絶縁部材１゜にはその図中左
右から可変電極２と基準電極３の多他の端部が挿入され
ている。この絶縁部材１００ の図中左右端面からはリング状の突部］○ｄ、１０ｅが
突出しており、この突部１０ｄ、］、　Ｏｅ内に電極２
．３の端部を抱え込むことにより各電極の端部を支持し
ている。

ケース１の内筒面１ｄは、ケース内に収納される部材の
径方向の同一基準ガイド面となるものであり、この内筒
面１ｄとガイドされる絶縁部材４．１０．５等の外周面
とは、互いに損傷することなく分解、組立てができる程
度の僅かな締め代を許容して予め部品加工されている。

６は金属材よりなるシールドリングであり、絶縁部材５
の図中右端に嵌着され、その外周が内筒面１ｄに当接し
て力゛イドされている。尚、このシールドリング６の図
中左端面は、基準電極３の図中右端面に接触しないよう
に絶縁部材５に嵌着されている。

７は絶縁部材よりなる支持リングで、その外周はケース
↓の内筒面１ｄに当接してガイドされ、その図中左端面
はシールドリング６の図中右端面に接触している。

８は金属材よりなるシールド板で、その外周もケース１
の内筒面１ｄに当接してガイドされており、図中左端面
は支持リング７の図中右端面に接している。

９は金属材よりなるリングネジて、その外周にネジ部が
形成されており、ケース１のネジ部りａ内にネジ込まれ
ている。このリングネジ９は、シールド板８に当接して
これを図中左方向に押圧するようにケース１に取り付け
られており、内筒面１ｄの図中左端に設けられている内
方に突出するリング状の段部１ｂとこのリングネジ９と
の間に介装される絶縁部材４がらシールド板８までの部
又、この段部１ｂとリングネジ９間に介装されている部
品の径方向の位置は、内筒面１ｄにより規制されている
。

２０は円柱状の共通電極であり、その図中右端には小径
段部２０ａが設けられている。この共通電極２０の小径
段部２０ａは、支持リング７の中心に部品同志を損傷し
ないで分解・組立てできる程度の僅かな締め代をもって
挿入されており、その先端部の外周に設けられたネジ部
にナツト２１が取り付けられて支持リング７に固定され
ている。

更に、この共通電極２０は、絶縁部材１０の中心穴１０
ａを貫通ずるように配置されており、この絶縁部材１０
により軸方向の中程が支持されてれている。

この結果、共通電極２０は支持リング７と絶縁部材１０
により三箇所で支持されることになり、この支持リング
７と絶縁部材１０により共通電極２０を支持する支持部
材が構成されている。

１１は絶縁部材１０の外周より中心穴１０ａにかけて設
けられているネジ穴１０ｂにネジ込まれた固定ネジであ
り、共通電極２０の軸方向への移動を防止するために設
けられたものである。但し、この固定ネジ１１は、中心
穴１０　ａの内面による共通電極２０の緊締力が弱い場
合に使用するものであり、必ずしも必要なものではない
。

２２は断面がコ字状の絶縁キャップで、シールド板８の
中心穴に嵌着されていて、ナツト２１をシールＩ・板８
から絶縁している。

２３はバネ受けで、絶縁材よりなり、共通電極２０の図
中左端面にネジ結合されている。

２４．２５．２６は絶縁被覆されたリード線であり、リ
ード線２４はその一端が共通電極２０の図中右端面中心
より内方軸方向にあけられた穴内又、リード線２５の一
端は、支持リング７、シールドリング６、基準電極３、
絶縁部材１０をそれぞれ貫通して可変音［！２の図中右
端に達し、そこでネジ２８によって可変電極２に電気的
に接続される。更に、リート線２６の一端側は、支持リ
ング７、シールドリング６をそれぞれ貫通して基準電極
３内に達し、そこでネジ２９によって基準電ｆｉ３と電
気的に接続されている。又、各リード線３ ４ ２４．２５．２６の他端側は、シールド板８より図中右
方に引き出されており、ケース１の図中左開口端側のネ
ジ部１ａにネジ結合したコネクターキャップ３０側のリ
ード線３１に、キャップ３０内でコネクタ（図示せず）
によって着脱自在に接続される。

３２は円筒状のスクリーンて、スピンドル部３３と一体
に形成されており、ケース１の図中左開口端の内面に設
けられたネジ部ＩＣにネジ結合されたステム３４内の二
つの軸受３５．３６によって摺動自在に支持されている
。

３７はガイドピンで、ステム３４に圧入固定さガイド溝
３２ａは、スクリーン３２の移動方向に形成されており
、このガイド溝り２ａ内にガイドピン３７が入り込むこ
とにより、スクリーン３２は軸方向移動時にこのガイド
ピン３７により案内されると共にその回転も防止される
。

３８は圧縮コイルスプリングであり、スクリーン３２の
内底面３２ｂと、共通電極２０の端面にネジ込まれたバ
ネ受け２３との間に介装されており、スクリーン３２及
びスピンドル部３３を常時ステム３４の外方に押圧する
ものである。

３つは測定子で、スピンドル部３３の先端にネジ結合さ
れている。

第２図において、符号１２は金属材よりなるリング板状
のシールドプレー１・であり、その端面に対して垂直に
植設された金属よりなるパイプ上３を有する。このシー
ルドプレート１２は隙間をもって共通電極２０に外嵌さ
れており、パイプ１３は絶縁部材１０に設けられている
小穴１０ｃに挿入されている。このパイプ１３内には、
可変電極２のリード線２５が挿通されており、パイプ１
３内のリード線２５はこのパイプ１３によってシールド
されている。

１４はプラスチックシートよりなるリング状の絶縁シー
トで、シールドプレート１２と基準電極３の図中左端と
の間に設けられていて、これらを絶縁している。

１５はケース１のネジ穴に結合されてケース内に達する
導通ネジであり、その先端がパイプ１３に接触して、パ
イプ１３とシールドプレー１・１２をケース１と同電位
（ア、−ス電位〉にするためのものである。このため、
シールドプレー１・１２を電極２．３間に位置付け、更
にアース電位にすることにより、電極２．３はシールド
されることになる。

ド板８と共にケース１の段部１ｂとリングネジ９との間
に挟持されて軸方向に位置決めされている。

又、これらの電極２．３．２０は、絶縁部材４．１０．
５及び支持リング７がいずれもケース１の内筒面１ｄを
基準として径方向に位置決めされているため、全て同一
面を基準として同軸的に位置決めされることになる。

尚、この実施例では円筒状の電極として可変電極２と基
準電極３の二つを用いたものを図示説明しているが、円
筒状電極の数を三つあるいはそれ以上に決定することも
可能であり、必要に応じて設定され、実施例に限定され
るものではない。

又、金属材よりなるシールドリング６は、その外周面が
内筒面１ｄに接しているためケース１と同電位（アース
電位〉になっており、又、シールド板８はリングネジ９
を介してケース１と同電位（アース電位）になっている
。従って、ケース１の段部１ｂとリングネジ９との間に
ある金属材からなる部品は、電極２．３を除いて全てケ
ース１と同電位になっている。

次に本実施例に係る検出器の作用と特徴を説明する。

上記検出器における可変電極２と基準電極３にそれぞれ
同一周波数で同電位の逆相の交流電圧を印加すると、可
変電極２と共通電極２０との間及び基準電極３と共通電
極２０との間にはそれぞれ容量Ｃ１及びＣ２が形成され
、共通電極２０からは容量差（Ｃ２Ｃ１）に係る電流が
検出される。

　７ ８ 今、第１図（Ａ）、（Ｂ）に図示するように、スクリー
ン３２が図中最左端に位置する状態のときに、基準電極
３に設けられた調整ネジ（図示せず）などによって、容
量Ｃ１とＣ２が等しくなるように調整し、共通室ｉ２０
から得られる電流がゼロとなるように設定する。

そこで゛、スピンドル３３をステム３４内に押し込むと
、スクリーン３２の先端３２ａは可変電極２と共通電極
２０との隙間内を図中右方向に移動する。

このようにスクリーン３２が移動すると、可変電極２と
共通電極２０との対向面積は変化（この場合には減少）
し、容量Ｃ１が変ｆヒ（減少）する。

このときに、容量Ｃ２は基準電極３と共通電極２０との
対向面積が変ｆヒしないので変化せず、一定に保たれて
いる。

従って、容量差（Ｃ２Ｃ１＞はスピンドル３３の移動に
より生じ、スピンドル３３の移動量に応じて変ずヒする
。このため、容量差（Ｃ２Ｃ１＞に比例して変化する共
通電極２０からの電流によリスビントル３３の移動量を
検出することができる。

上記のような検出器においては、スピンドル部３３が単
位長さ変位したときに得られる容量の変ｆヒ量が、測定
範囲中とこでも一定の値であることが検出器を評価する
上で極めて重要な項目となっている。

このように構成するには、可変電極２と共通電極２０と
の同軸度が組立段階におて精度良く確保され、しかも振
動や衝撃などの外力によってこの同軸度が損なわれるこ
とがなく、同時に共通電極２０とによって一定の基準と
なる容量Ｃ２を形成する基準電極３もその容量Ｃ２を変
化させるような変位、変形をすることがなく、長期間に
亘って安定して取り付けられることが必要である。

本発明における二つの円筒状の電極２．３は、支持部材
としての絶縁部材４．１０．５により支持されており、
又共通電極２０は支持部材としての支持リング７と絶縁
部材１０により支持されている。この絶縁部材４．１０
．５と支持リング７は、いずれも内筒面１ｄを同一の基
準ガイド面として径方向に位置決めされており、更にこ
れらの支持部材と電極２．３は段部１ｄとリングネジ９
との間に強固に挟持されて組立てられているのて、電極
２．３．２０の同軸度を容易にしかも精度良く確保する
ことができる。更に、振動や衝撃などの外力に対しても
電極２．３は径方向には絶縁部材を介して内筒面１ｄに
、又軸方向には段部１ｂとリングネジ９に、それぞれ隙
間なく当接して位置規制されているため、変位すること
なく精度を保つことになる。

第３図は第１図等に示すケース１の内筒面１ｄの図中左
端に設けられたリング状の段部１ｂの他の実施側を示す
断面図である。

この例における段部１１）は、ケース１とは別体として
設けられており、リング状の段部１ｂをケース１の図中
左開口端側より挿入して圧入することにより形成されて
いる。

このように段部１ｂを別体とすることにより、内筒面１
ｄを加工し易ぐすることができる。

又、図示はしないが、段部１ｂの取り付は方法としては
、段部１ｂの外周にネジ部を設け、ケース１の左端側の
ネジ部１ｃを深く切っておき、これを互いにネジ結合さ
せることにより取り付けてもよい。

〈発明の効果〉 本発明における検出器の二つの円筒状の電極２．３は、
従来の円筒状の電極のように片持梁状態で支持される構
造とは全く異なり、径方向及び軸方向を内筒面、段部及
びリングネジによってそれぞれ確実に位置規制されてい
るため、組立て時は勿論、組立て後の振動、衝撃などの
外力に対しても位置ずれなどの変位をすることなく長期
間に亘って安定している。

従って、本発明における検出器は、長期間その直線性精
度を良好に維持することができ、高分解能、高精度及び
長測長範囲の検出器として好適な構造である。

又、振動などの生じる環境下、特に工作機械などに直接
取り付けて使用することも可能である。

１ ２ 更に、可変電極及び基準電極を複数に分割し、絶縁部材
を介して連設した場合には、同軸度を確保することが更
に困難になるが、この場合には本発明と従来例との効果
の差異がより鮮明で明白となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び第１図（Ｂ）は本発明の一実施例に係
る静電容量型変位検出器の断面図を中央にて分断した断
面半裁図、 第２図は第１図（Ｂ）に示されている絶縁部材１０近傍
の拡大図、 第３図は第１図等に示す段部の他の実施例を示す断面図
、 第４図は従来の静電容量型変位検出器の構造を示す断面
図である。 １・・・ケース、 １ｂ・・・段部、 ｌｄ・・・内筒面、 ２・・・可変電極、 ３　・　・　・ ４、５． ７　・ ８　・ ９　・ ２０　・ ３２　・ 基準電極、 １０・・・絶縁部材、 支持リング、 シール１〜板、 リングネジ、 共通電極、 スクリーン・。 １７５−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内筒面と、該内筒面の一端部に設けられた段部と
   を有する円筒形状のケースと、該ケース内に収納され且
   つ同軸的に配置される円筒状の可変電極及び基準電極と
   、該可変電極及び基準電極の内周面に対して一定の隙間
   をもって配置される円柱形状の共通電極と、前記可変電
   極、基準電極及び共通電極を支持する支持部材と、前記
   内筒面の他端部に取り付けられるリングネジと、前記可
   変電極と共通電極との間の隙間内を軸方向に移動可能に
   支持されたスクリーンとからなり、前記可変電極、基準
   電極及び支持部材は、前記段部とリングネジとの間に挟
   持されることにより軸方向に位置規制されると共に、前
   記内筒面を基準として径方向に位置規制されることを特
   徴とする静電容量型変位検出器。