JPH04305107A - 静電容量型測長器 - 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】

【０００１】

【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測長器に係り、
変位量と静電容量との関係が線形で、電極間の誘電体の
誘電率の変動の影響を受けない静電容量型測長器に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の静電容量型測長器として
は図１６に示すような構造を有するものがあった。図１
６に示す測長器の検出部は絶縁シート５を介して隣接配
置された円筒状のリング電極１，２と、このリング電極
１，２内に同心状に配置され、かつ軸受２０により支持
されているスピンドル２５の外周に絶縁材のガイドブロ
ック６を介して取り付けられている円柱状の共通コア電
極３と、この共通コア電極３に誘起される電流を取り出
すリード線４とから構成されている。

【０００３】上記リング電極１，２と共通コア電極３と
の間にはそれぞれキャパシタＣｓ　，Ｃｒ　が形成され
、このキャパシタＣｓ　，Ｃｒ　の誘電体は同一のもの
（空気）からなる。また、上記リング電極１，２には同
一周波数、位相差が１８０°（逆相）で、しかもピーク
値が等しい一定の正弦波電圧Ｖｓ　，Ｖｒ　がそれぞれ
印加されている。

【０００４】このような構成の測長器の検出部において
、スピンドル２５が移動して共通コア電極３が移動する
と、この共通コア電極３には電流ｉｍ　が発生し、キャ
パシタＣｓ　，Ｃｒ　のキャパシタンスをｃｓ　，ｃｒ
　とすると、数１の関係が成立する。

【０００５】

【数１】

【０００６】ここでａは正の比例定数であり、Ｖｓ　＝
−Ｖｒ　であるので、共通コア電極３に発生する電流ｉ
ｍ　は数２で表すことができる。

【０００７】

【数２】

【０００８】図１６中Ｘはスピンドル２５、すなわち共
通コア電極３の変位を示すものである。ここで、このス
ピンドル２５がリング電極１，２内に差し込まれる方向
（図中右方向）への変位を正、抜き出される方向（図中
左方向）への変位を負とし、またｃｓ　＝ｃｒ　のとき
に変位Ｘを零と設定し、さらにこのときのキャパシタン
スｃｓ　，ｃｒ　をキャパシタンスｃｏ　とすると、キ
ャパシタンスｃｓ　，ｃｒ　と変位Ｘとの関係は数３、
数４のようになる。

【０００９】

【数３】

【００１０】

【数４】

【００１１】このεはキャパシタＣｓ　，Ｃｒ　の誘電
体の誘電率、ｂｓ　，ｂｒ　は正の比例定数である。次
に数３、数４を数２に代入すると、数５となる。

【００１２】

【数５】

【００１３】ここにおいて誘電率εが一定であれば電流
ｉｍ　は変位Ｘに正比例することになる。したがって、
この電流ｉｍ　を電子装置で変換することにより変位量
Ｘを求めることができ、従来の測長器においてはこのよ
うにして変位量Ｘを求めて表示していた。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の静
電容量型測長器はスピンドル２５の変位Ｘに比例して変
化する共通コア電極３に流れる電流ｉｍ　を検出するこ
とにより機械的変位を測長をするものであるが、これに
はキャパシタＣｓ　，Ｃｒ　における誘電体の誘電率ε
が一定であることが条件とされる。すなわち、キャパシ
タＣｓ　，Ｃｒ　の誘電体は空気であり、測定環境例え
ば温度や湿度や密度（気圧）が変化すると誘電率も変化
し、同一の変位Ｘに対する電流ｉｍ　の値が変わってし
まうことになる。このため、精密な測定をする場合には
測定環境に合わせて電子装置を校正することが必要であ
った。

【００１５】また、数３、数４、数５における比例定数
ｂｓ　，ｂｒ　はそれぞれキャパシタＣｓ　，Ｃｒ　の
電極の幾何学的寸法、すなわちリング電極１，２の内径
寸法、共通コア電極３の外径寸法およびこれらの間隔に
より定まる定数である。したがって、このリング電極１
，２の内径および共通コア電極３の外径を厳密に同一に
しなければ、同一の変位Ｘに対して同一の電流ｉｍ　を
得ることはできない。しかしながら、これは非常に困難
であり、このため各検出部に合わせて電子装置を校正す
ることが必要であった。

【００１６】さらに、２チャンネルの電子装置の各チャ
ンネルにそれぞれ検出部を取り付けて和差演算する場合
、上述したように各検出部に合わせて各チャンネルを校
正して使用することが必要であるが、このように合わせ
こんだチャンネルでない方のチャンネルに検出部を接続
してしまうこともあり、このまま測定を始めてしまうと
正確な測定ができないという問題点があった。

【００１７】さらに、従来の静電容量型測長器の検出部
はリング電極１，２と共通コア電極３とは円筒状または
円柱状に形成されているため、例えば上下の幅寸法（Ｙ
軸方向）はゆとりがあるものの、前後の厚さ寸法（Ｚ軸
方向）は小さい必要があるような場所に設置するような
場合には、使用できないという問題点があった。

【００１８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、温度、湿度、気圧などの測定環
境の変化の影響を受けることなく、また異なる検出部を
共通の電子装置に校正し直すことなく接続するようにし
、かつ検出部の厚さ寸法を小さくできるようにした静電
容量型測長器を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る静電容量
型測長器は絶縁部材を介して隣合わせに設けられると共
に、同一周波数で相互に逆相の基準方形波電圧が印加さ
れ、かつ一対が平行に対向して配置された平板状の測定
電極と、この測定電極間に平行に介挿され測定電極に沿
って平行に移動して、測定キャパシタを形成すると共に
、帰還電圧が誘導される平板状の可動コア電極と、この
可動コア電極に電気的に接続される平板状の固定コア電
極に対向することにより基準キャパシタを形成し、かつ
上記基準方形波電圧と同一周波数で、同相または逆相と
なる測定方形波電圧が印加される平板状の基準電極と、
上記可動コア電極の移動により上記測定キャパシタのキ
ャパシタンスが変化すると上記両コア電極に誘導される
帰還電圧が零となるように測定方形波電圧を可変する電
子装置とを備えたものである。

【００２０】

【作用】この発明における静電容量型測長器はスピンド
ルによって可動コア電極が移動して測定キャパシタのキ
ャパシタンスが変化すると、電子装置により可動コア電
極および固定コア電極に誘導される帰還電圧が零となる
ように測定キャパシタのキャパシタンスと基準キャパシ
タのキャパシタンスとの比で表される測定方形波電圧が
変化させられる。この測定方形波電圧を計測することに
より機械的な変位量が検出できる。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例の概略構成を示す横断
面図、図２は正面図、図３は図２のＢ−Ｂ線断面図、図
４は図２のＦ−Ｆ線断面図で、図において、１０，１２
は絶縁部材５１を介在させて隣合わせに併設された平板
状の測定電極、１１，５０は絶縁部材５２を介在させて
隣合わせに併設された平板状の測定電極で、これら測定
電極１０，１２と測定電極１１，５０とは対向して配置
され、かつ測定電極１０，１１および１２，５０は電気
的に接続されている。１３は平板状の基準電極で、この
基準電極１３にはキャパシタンス調整用の調整ネジ１８
が設けられている。１４は基準電極１３に対向して配置
される平板状の固定コア電極、１５は上記測定電極１０
，１２と測定電極１１，５０との間のほぼ中央に介挿さ
れる可動コア電極１５で、この可動コア電極１５は導電
部材２８およびバネなどの可撓部材２９を介して固定コ
ア電極１４に電気的に接続されている。そして、上記測
定電極１２，５０と可動コア電極１５との間には測定キ
ャパシタＣ１　が形成されると共に、上記測定電極１０
，１１と可動コア電極１５との間には測定キャパシタＣ
２　が形成されている。また、基準電極１３と固定コア
電極１４との間には基準キャパシタＣ３　が形成される
。 Ｃ１　，Ｃ２は差動キャパシタの構成となっている。１
９は測定電極１０，１２と測定電極１１，５０との間に
介挿された可動コア電極１５を覆って設けられた絶縁部
材、２５は軸受２０は摺動自在に支持されたスピンドル
で、このスピンドル２５はシールド部材５５を介して絶
縁部材１９と固着されている。なお、絶縁部材１９とシ
ールド部材５５とには測定キャパシタＣ１　，Ｃ２　を
形成するための孔が穿設されている。１６はシールド部
材５５に取り付けられたガイド棒、１７はガイド棒１６
の摺動を案内するガイド溝１７ａを有するガイド部材、
なお、測定電極１１，１２、基準電極１３、コア電極１
４および可動コア電極１５は部品の熱膨張や温度変化に
よるキャパシタンスのアンバランスを防止し、検出部の
温度性能を向上させるために同一材質で構成する。

【００２２】上記測定キャパシタＣ１　，Ｃ２　および
基準キャパシタＣ３　は同じ誘電体（空気）で構成され
ていて、測定電極５０，１１および基準電極１３にはそ
れぞれ基準方形波電圧Ｅ１　，Ｅ２　および測定方形波
電圧Ｅ３　が印加される。また、基準方形波電圧Ｅ１　
と基準方形波電圧Ｅ２　とは同一周波数で位相差が１８
０°（逆相）の方形波電圧であり、測定方形波電圧Ｅ３
　は基準方形波電圧Ｅ１　またはＥ２　と同一周波数で
同相の方形波電圧に設定されている（この実施例では測
定方形波電圧Ｅ３　は基準方形波電圧Ｅ１　と同相の方
形波となっている）。さらに、基準方形波電圧Ｅ１　，
Ｅ２　は一定の変化しない電圧で、測定方形波電圧Ｅ３
　は後述する電子装置により可変される電圧である。

【００２３】スピンドル２５の変位Ｘが零のときの測定
キャパシタＣ１　，Ｃ２　のキャパシタンスをｃ１０，
ｃ２０とすると、ｃ１０Ｅ１　＋ｃ２０Ｅ２　＝０の関
係が成立するように基準方形波電圧Ｅ１　またはＥ２　
の調整が可能である。

【００２４】可動コア電極１５がスピンドル２５と共に
移動して測定キャパシタＣ１　のキャパシタンスｃ１　
および測定キャパシタＣ２　のキャパシタンスｃ２　が
変化すると、後述する電子装置により固定コア電極１４
および可動コア電極１５に誘導される帰還電圧Ｅｍ　が
零となるように測定方形波電圧Ｅ３　が変化させられる
。なお、測定方形波電圧Ｅ３　はスピンドル２５の変位
Ｘに正比例する。

【００２５】測定方形波電圧Ｅ３　は一定の直流電圧と
可変の直流電圧Ｅ０　（このＥ０　は変位Ｘに正比例）
との間を交互に切り換えることによって発生させる。

【００２６】次の静電容量型測長器における変位Ｘと測
定方形波電圧Ｅ３との変化が線形で、しかも比例する関
係にあることを説明する。スピンドル２５が移動し、こ
れにより可動コア電極１５が移動すると、測定キャパシ
タＣ１　，Ｃ２　のキャパシタンスｃ１　，ｃ２　が変
化する。 このとき電子装置が働き固定コア電極１４および可動コ
ア電極１５に誘導される交流電圧が零となるように測定
方形波電圧Ｅ３　が変化させられる。すなわち、測定キ
ャパシタＣ１　，Ｃ２　、基準キャパシタＣ３　に流れ
る電流をそれぞれｉ１　，ｉ２　，ｉ３　とすれば、数
６を満足するように測定方形波電圧Ｅ３　は変化させら
れる。

【００２７】

【数６】

【００２８】測定キャパシタＣ１　，Ｃ２　と基準キャ
パシタＣ３　のキャパシタンスをそれぞれｃ１　，ｃ２
　，ｃ３　とすると、数６はｃ１　Ｅ１　＋ｃ２　Ｅ２
　＋ｃ３　Ｅ３　＝０のように表せる。したがって、測
定方形波電圧Ｅ３　は数７のようになる。

【００２９】

【数７】

【００３０】スピンドル２５が検出部内に押し込まれる
方向を正として変位Ｘを表し、Ｘ＝０の測定キャパシタ
Ｃ１　，Ｃ２　のキャパシタンスをｃ１０，ｃ２０とす
ると、キャパシタンスｃ１　，ｃ２　は数８で表せる。

【００３１】

【数８】

【００３２】ここで、ｂ１　，ｂ２　は電極の幾何学的
寸法およびキャパシタＣ０　を電極間の誘電体の誘電率
で割った商ｃ０／εによって正の定数である。数７に数
８を代入すると、数９となる。すなわち、

【００３３】

【数９】

【００３４】あらかじめ、Ｘ＝０のとき、ｃ１０Ｅ１　
＋ｃ２０Ｅ２　＝０になるように基準方形波電圧Ｅ１　
またはＥ２　を調整しておけば、数９は数１０となり、

【００３５】

【数１０】

【００３６】測定方形波電圧Ｅ３　は変位Ｘに比例し、
比例定数αは数１１となる。

【００３７】

【数１１】

【００３８】数１０において測定方形波電圧Ｅ３　はｃ
１０／　ｃ３　というキャパシタンスの比で構成されて
いるので、測定キャパシタＣ１　，Ｃ２　、基準キャパ
シタＣ３　が同一誘電体で構成されていれば、誘電率ε
の影響は全く受けない。また、基準キャパシタＣ３　の
キャパシタンスｃ３　は調整ネジ１８により調整が行わ
れる。どの検出部もキャパシタンスｃ３　の調整により
比例定数αを同一の値とすることができ、異なる検出部
を共通の電子装置に校正し直すことなく接続することが
できる。

【００３９】また、可動コア電極１５はその中心軸がス
ピンドル２５の中心軸とほぼ一致するようにスピンドル
２５にシールド部材５５および絶縁部材１９を介して固
定されていて、スピンドル２５が移動すると、可動コア
電極１５もスピンドル２５の中心軸と同軸上を移動する
。このため、ガイド溝１６に沿ってガイド棒５も摺動す
るため、可動コア電極１５がガイド溝１６とガイド棒５
との間の隙間によりごく僅かに回転しても数１０の比例
定数ｂ１　，ｂ２　の変動は非常に微小であり、測定方
形波電圧Ｅ３　にはほとんど影響がない。

【００４０】図１１は検出部に電圧を印加する電子装置
の回路構成を示すブロック図、図１２はその出力電圧の
位相関係を示すタイムチャートである。図において、３
０は基準となる方形波電圧ＥＯＳＣ　を出力する発振器
で、この発振器３０は水晶式あるいはＣＲ式のいずれで
も良いが、水晶式の場合には一般に高周波となるため分
周器を用いて希望の周波数を得るようにする。発振器３
０の出力電圧ＥＯＳＣ　によって制御される電子スイッ
チ３１で直流電圧Ｅｒ　と接地レベルとの間を切り替え
ることにより図１２に示す基準方形波電圧Ｅ１　を得て
いて、発振器３０の出力電圧ＥＯＳＣ　により制御され
る電子スイッチ３２で直流電圧−Ｅｒ　と接地レベルと
の間を切り替えることによって図１２に示す基準方形波
電圧Ｅ２　を得ている。

【００４１】図１２に示すＥ４　は帰還電圧Ｅｍ　また
はＥｍ　’を入力増幅器３３により増幅した交流電圧で
、この交流電圧Ｅ４　は方形波電圧ＥＯＳＣ　の半周期
ごと（ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３およびｔ２１，ｔ２２，
ｔ２３・・・・・・）に復調器３４によって復調され、
差動積分器３５に入力される。復調された信号が零と異
なると、差動積分器３５の出力直流で電圧Ｅ０　は復調
された電圧の振幅および極性の関数として差動積分器３
５への入力が零に達するまで変化する。

【００４２】測定方形波電圧Ｅ３　は出力直流電圧Ｅ０
　と一定電圧（図１１では接地レベル）との間を発振器
３０の出力電圧ＥＯＳＣで電子スイッチ３６を切り替え
ることにより得られる。したがって、出力直流電圧Ｅ０
　と同様に測定方形波電圧Ｅ３　も差動積分器３５への
入力が零に達するまで変化する。このようにして得られ
た測定方形波電圧Ｅ３　は前述したように可動コア電極
１５の変位に正比例する。

【００４３】また、出力直流電圧Ｅ０　には望ましくな
い結合および時間遅延により過渡状態が現れ、この過渡
状態は方形波の切り替え点（側面）で発生し、ある時間
後に減衰する。この過渡状態は出力直流電圧Ｅ０　の安
定性を低下させて測定方形波電圧Ｅ３　の安定性を低下
させ、測長器の指示の安定性を低下させる。このため、
安定度を非常に必要とする測定器では過渡状態の影響を
なくす配慮が必要である。この過渡状態は入力増幅器３
３と復調器３４との間に過渡抑制器を設けることにより
取り除くことができ安定度の良い測定方形波電圧Ｅ３　
を得ることができる。

【００４４】図１３は過渡抑制器を設けた場合の検出部
に電圧を印加する電子装置の回路構成を示すブロック図
、図１４はその出力電圧の位相関係を示すタイムチャー
トである。基準方形波電圧Ｅ１　は直流電圧Ｅｒ　と接
地レベルとの間を出力電圧ＥＯＳＣ、時間遅延回路３７
および周波数を１／２に分周する周波数分周回路３８で
制御される電子スイッチ３１により切り替えることによ
って得ている。補正方形波電圧Ｅ２　は直流電圧−Ｅｒ
　と接地レベルとの間を出力電圧ＥＯＳＣ　、時間遅延
回路３７および周波数を１／２に分周する周波数分周回
路３８で制御される電子スイッチ３２により得ている。

【００４５】過渡抑制器３９は最も簡単な場合、電子ス
イッチで、発振器３０のクロック信号である出力電圧Ｅ
ＯＳＣ　の一周期ごとに過渡状態でない部分（ｔ０１〜
ｔ０２，，ｔ１１〜ｔ１２，ｔ２１〜ｔ２２，・・・・
・・）のみを通過させる。この過渡状態のない信号が復
調器３４に入力され、出力電圧ＥＯＳＣ　の一周期ごと
（ｔ０　，ｔ２　，ｔ４　，・・・・・・およびｔ１　
，ｔ３　，ｔ５　・・・・・・）に復調され、差動積分
器３５に入力される。復調された信号が零と異なると、
差動積分器３５の出力直流電圧Ｅ０　は復調された電圧
の振幅および極性の関数として差動積分器３５への入力
が零に達するまで変化する。

【００４６】測定方形波電圧Ｅ３　は出力直流電圧Ｅ０
　と一定電圧（図１３では接地レベル）との間を出力電
圧ＥＯＳＣ　、時間遅延回路３７および周波数を１／２
に分周する周波数分周回路３８で制御される電子スイッ
チ３６により得られる。したがって、出力直流電圧Ｅ０
　と同様に測定方形波電圧Ｅ３　も差動積分器３５への
入力が零に達するまで変化する。このようにして得られ
た測定方形波電圧Ｅ３　は可動コア電極１５の変位に比
例し、かつ交流電圧Ｅ４　の過渡状態の影響を全く受け
ない。

【００４７】基本的には固定コア電極１４および可動コ
ア電極１５に誘導される帰還電圧Ｅｍ　は励起用方形波
電圧Ｅ１　，Ｅ２　，Ｅ３　の影響を受けないようにす
る必要があり、また励起用方形波電圧Ｅ１　，Ｅ２　，
Ｅ３　も互いに影響しあわないようにする必要がある。 そのため、検出部と電子装置とを結ぶ線２１，２２，２
３，２４はシールドされている。検出部内に補正キャパ
シタ、基準キャパシタを配置した場合は、帰還電圧Ｅｍ
　の導かれる線２４のシールドの簡略化は次に述べる方
法で可能となる。 検出部内において図１５に示すように固定コア電極１４
にインピーダンス変成器２６の入力側と放電用抵抗２７
の一方側を接続し、放電用抵抗２７の他方側は接地し、
インピーダンス変成器２６の出力側は電子装置の入力増
幅器３３に接続する。これによりインピーダンス変成器
２６と入力増幅器３３との間のインピーダンスを小さく
することができ、シールドを簡略化でき、高感度・高精
度を要求されない場合には励起用方形波電圧Ｅ１　，Ｅ
２　，Ｅ３　，Ｅｍ　’の導かれる線２１，２２，２３
，２４をまとめてシールドすることができる。しかし、
高精度・高感度を要求される場合にはＥ１　，Ｅ２　，
Ｅ３　，Ｅｍ　’の導かれる線２１，２２，２３，２４
の一本づつのシールドを併用することにより、さらに安
定したものとすることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば絶縁部材
を介して隣合わせに同一周波数で相互に逆相の基準方形
波電圧が印加される平板状の測定電極を対向して配置し
、この測定電極間に帰還電圧が誘導される平板状の可動
コア電極を介挿して測定キャパシタを形成すると共に、
上記可動コア電極に電気的に接続される平板状の固定コ
ア電極と上記基準方形波電圧と同一周波数で、同相また
は逆相となる測定方形波電圧が印加される平板状の基準
電極とを対向することにより基準キャパシタを形成し、
上記可動コア電極の移動により上記測定キャパシタのキ
ャパシタンスが変化すると上記両コア電極に誘導される
帰還電圧が零となるように測定方形波電圧が電子装置に
より変化させられたのを計測して機械的な変位量を検出
するように構成したので、測定環境の変化の影響を受け
ることなく、また異なる検出部を共通の電子装置に校正
し直すことなく接続するようにし、かつ検出部の厚さ寸
法を小さくするなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る静電容量型測長器の検出部の一
実施例を示し、図２のＡ−Ａ線断面図である。

【図２】同じく静電容量測長器の一実施例を示す正面図
である。

【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】図２のＦ−Ｆ線断面図である。

【図５】シールド部材を示す平面図である。

【図６】図５のＧ−Ｇ線断面図である。

【図７】図５の右側面図である。

【図８】絶縁部材を示す平面図である。

【図９】図９のＨ−Ｈ線断面図である。

【図１０】図９の右側面図である。

【図１１】この発明の静電容量型測長器の電子装置の一
例を示すブロック構成図である。

【図１２】図１１の位相関係を示すタイムチャートであ
る。

【図１３】この発明の静電容量型測長器の電子装置の他
の例を示すブロック構成図である。

【図１４】図１３の位相関係を示すタイムチャートであ
る。

【図１５】検出部にインピーダンス変成器と放電用抵抗
を取付けた回路図である。

【図１６】従来の静電容量型測長器の一例を示す横断面
図である。

【符号の説明】

１０，１１，１２　　測定電極 １３　　基準電極 １４　　固定コア電極 １５　　可動コア電極 ２５　　スピンドル ５０　　測定電極 ５１，５２　　絶縁部材 ５５　　シールド部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　絶縁部材を介して隣合わせに設けられ
   ると共に、同一周波数で相互に逆相の基準方形波電圧が
   印加され、かつ一対が平行に対向して配置された平板状
   の測定電極と、この測定電極間に平行に介挿され測定電
   極に沿って平行に移動して、測定キャパシタを形成する
   と共に、帰還電圧が誘導される平板状の可動コア電極と
   、この可動コア電極に電気的に接続される平板状の固定
   コア電極に対向することにより基準キャパシタを形成し
   、かつ上記基準方形波電圧と同一周波数で、同相または
   逆相となる測定方形波電圧が印加される平板状の基準電
   極と、上記可動コア電極の移動により上記測定キャパシ
   タのキャパシタンスが変化すると上記両コア電極に誘導
   される帰還電圧が零となるように測定方形波電圧を可変
   する電子装置とを備え、上記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際の機械的な変位量
   と静電容量との関係が線形であることを特徴とする静電
   容量型測長器。