JPH04305108A - 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１３に示すような構造を有するものがあった。図１
３に示す測長器の検出部は一つの可動電極１と一つの固
定電極２とよりなるキャパシタＣｓ　より構成されてい
る。上記可動電極１に交流電圧Ｖｓ　が印加されると、
キャパシタＣｓ　には電流ｉｓ　が発生し、数１に示す
関係が成り立つ。

【０００３】

【数１】

【０００４】ここで、ａは正の比例定数であり、ｃｓ　
はキャパシタＣｓ　のキャパシタンスである。

【０００５】図１３に示すｘは可動電極１の固定電極２
からの変位を示していて可動電極１と固定電極２との対
向面積をＳとし、誘電体の誘電率をεとすると、キャパ
シタＣｓ　のキャパシタンスｃｓ　は数２で表せる。

【０００６】

【数２】

【０００７】数１に数２を代入すると、数３となり、

【
０００８】

【数３】

【０００９】誘電率ε、対向面積Ｓが一定であれば、電
流ｉｓ　は変位ｘに反比例する。電流ｉｓ　を電圧に変
換し、さらにリニアライザーにより直線化して機械的な
変位量を得ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の静
電容量型測長器は可動電極１と固定電極２との間の誘電
体として一般的に空気を用いているが、空気の誘電率は
温度、湿度、密度（気圧）により異なるため、同一変位
ｘでも温度、湿度、空気の密度（気圧）などの測定環境
が異なると、電流ｉｓ　は異なった値を示すので、精密
な測定には測定環境に合わせて常に校正する必要がある
。

【００１１】また、各検出部とも対向面積Ｓを厳密に同
一にするが困難であるので、共通の電子装置に異なる検
出部を校正することなく接続して正しい測定値を得るこ
とはできず、電子装置を検出部に合わせて校正しなけれ
ばならないために互換性のある検出部は得られないばか
りか、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、測定誤差が２
倍となるため各検出部に合わせて各チャンネルを校正す
ることが必要となるが、検出部を合わせこんだチャンネ
ルでない方のチャンネルに接続すると、正しい測定がで
きないという問題点があった。

【００１２】さらに、可動電極１の変位量ｘと電流ｉｓ
　とは反比例の関係にあり、直線化するためにリニアラ
イザーなどの電子回路を必要とするために、コストアッ
プとなると共に、温度特性の低下を招くという問題点が
あった。

【００１３】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、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できるようにすると共に、温
度、湿度、気圧などの測定環境の変化の影響を受けない
ようにした静電容量型測長器を得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る静電容量
型測長器は帰還電圧が誘導される平板状の固定電極と、
スピンドルの機械的な変位が伝達されるように上記固定
電極の一面に対向して測定キャパシタを形成すると共に
、スピンドルの変位量と線形の関係を持つ測定方形波電
圧が印加される平板状の可動電極と、上記固定電極の他
面に対向して基準キャパシタを形成し、上記測定方形波
電圧と同一周波数で逆相の基準方形波電圧が印加される
平板状の基準電極と、上記可動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固定電
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。

【００１５】

【作用】この発明における静電容量型測長器はスピンド
ルの機械的な変位が伝達される可動電極の変位量と測定
方形波電圧とが線形の関係を有する。そして、上記可動
電極に固定電極を対向させて測定キャパシタを形成し、
この測定キャパシタのキャパシタンスの変位に伴って電
子装置により可動電極が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。この可変する測定方
形波電圧を計測することにより機械的な変位量が検出す
る。

【００１６】

【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
面図で、図において、１４は平板状の固定電極、１１は
固定電極１４の一面に平行に対向する平板状の可動電極
で、この可動電極１１と固定電極１４とで測定キャパシ
タを形成する。１３は固定電極１４の他面に対向する基
準電極で、この基準電極１３と固定電極１４とで基準キ
ャパシタを形成する。そして、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。２５
は軸受２０により摺動自在に支持されたスピンドルで、
このスピンドル２５は絶縁部材１６を介して可動電極１
１に固着され、可動電極１１を固定電極１４に対して接
離するように移動する。なお、可動電極１１、基準電極
１３および固定電極１４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。

【００１７】上記測定キャパシタＣ１　および基準キャ
パシタＣ２　は同じ誘電体（空気）で構成されていて、
可動電極１１および基準電極１３にはそれぞれ基準方形
波電圧Ｅ１　および測定方形波電圧Ｅ２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１８０°（逆相）の方形波電圧
である。さらに、基準方形波電圧Ｅ１　は後述する電子
装置により可変される電圧で、一定の直流電圧と可変の
直流電圧Ｅ０　との間を交互に切り換えることによって
発生させる。基準方形波電圧Ｅ２　は一定の変化しない
電圧である。

【００１８】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　
が変化すると、後述する電子装置により固定電極１４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Ｅ１　が変化させられる。測定方形波電圧Ｅ１　は
可動電極１１の変化量ｘと線形の関係を持つ。

【００１９】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１
１が移動すると、測定キャパシタＣ１　のキャパシタン
スｃ１　が変化する。このとき電子装置が働き固定電極
１４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Ｅ１　が変化させられる。すなわち、測定キャパシ
タＣ１　、基準キャパシタＣ２に流れる電流をそれぞれ
ｉ１　，ｉ２　とすれば、数４を満足するように測定方
形波電圧Ｅ１　は変化させられる。

【００２０】

【数４】

【００２１】測定キャパシタＣ１　と基準キャパシタＣ
２　のキャパシタンスをそれぞれｃ１　，ｃ２　とする
と、数４はｃ１　Ｅ１　＋ｃ２　Ｅ２　＝０のように表
せる。したがって、測定方形波電圧Ｅ１　は数５のよう
になる。

【００２２】

【数５】

【００２３】一方、基準方形波電圧Ｅ２　は測定方形電
圧Ｅ１　と逆相であるので、Ｅ２　’＝−Ｅ２　と書き
替えると、数５は数６のようになる。

【００２４】

【数６】

【００２５】可動電極１１と固定電極１４との距離をｙ
とし、対向面積をＡ、電極間の誘電体の誘電率をεとす
ると、測定キャパシタのキャパシタンスｃ１　は数７と
なる。

【００２６】

【数７】

【００２７】さらに、スピンドル２５の変位量をｘで表
し、ｘ＝０のときの可動電極１１と固定電極１４との距
離をｙ０　とすると、ｘ＝ｙ−ｙ０　なので、数８と表
せる。なおここで、ｋは正の定数である。

【００２８】

【数８】

【００２９】数６に数８を代入すると、数９となる。

【００３０】

【数９】

【００３１】数９においてαをｃ２　Ｅ２　’／ｋεＡ
と、またβをｃ２　Ｅ２　’ｙ０　／ｋεＡとおくと、
数１０となり、測定方形波電圧Ｅ１　は変位量ｘと線形
の関係を持つ。

【数１０】

【００３２】数９において、測定方形波電圧Ｅ１　はｃ
２　／εで構成されているので、測定キャパシタＣ１　
および基準キャパシタＣ２　が同一誘電体で構成されて
いれば、誘電率の影響は全く受けない。基準キャパシタ
Ｃ２　のキャパシタンスｃ２　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ｃ２　の調
整により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を
可能としている。

【００３３】図２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３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、３０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
（図示せず）を用いて希望の周波数を得るようにする。 基準方形波電圧Ｅ２　を直流電圧−Ｅｒ　と接地レベル
との間を出力電圧ＥＯＳＣ　によって制御される電子ス
イッチ３２を切り換えることにより得られる。直流電圧
−Ｅｒ　はこれと異なる直流電圧でもよい。

【００３４】図３に示すＥ３　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Ｅ３　は方形波電圧ＥＯＳＣ　の半周期ご
と（ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３およびｔ２１，ｔ２２，ｔ
２３・・・・・・）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。

【００３５】測定方形波電圧Ｅ１　は出力直流電圧Ｅ０
　と一定電圧（図２では接地レベル）との間を発振器３
０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Ｅ１　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Ｅ１　は前述したように可動電圧１１
の変位量と線形の関係と持つ。

【００３６】また、交流電圧Ｅ３　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Ｅ１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長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３３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Ｅ１　を得る
ことができる。

【００３７】図４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５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３１により切り替えることによ
って得ている。直流電圧−Ｅｒはこれと異なる直流電圧
でもよい。

【００３８】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１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３
４に入力され、出力電圧ＥＯＳＣ　の１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。

【００３９】測定方形波電圧Ｅ１　は出力直流電圧Ｅ０
　と一定電圧（図４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Ｅ１　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Ｅ１　は可動電極１１の変位量と線形の
関係を持つ。 かつ、交流電圧Ｅ３　の過渡状態の影響を全く受けない
。

【００４０】基本的には固定電極１４に誘導される帰還
電圧Ｅｍ　は励起用方形波電圧Ｅ１　，Ｅ２　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２１，２
２，２３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２３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６に示すように固
定電極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　，Ｅ２　，Ｅｍ　’の導かれる線２１，２２，２
３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　，Ｅｍ
　’の導かれる線２１，２２，２３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。

【００４１】なお、上記実施例では平板状の固定電極１
４を挟んで一方面に可動電極１１を、他方面に基準電極
１３を対向させた例を示したが、図７に示すようにスピ
ンドル２５を延長させて貫通孔を有する平板状の固定電
極１４にスピンドル２５を貫通させ、固定電極１４の一
方面に基準電極１３を、他方面に可動電極１１を対向さ
せてもよい。

【００４２】また、上記実施例ではスピンドル２５に絶
縁部材１６を介して固定電極１４の一方面に対向する可
動電極１１を直接固着した例を示したが、図８および図
９に示すように固定電極１４の一方面に対向する可動電
極１１を絶縁部材７，８を介して固定部材１５，１７に
支持された板ばね９によって支持すると共に、スピンド
ル２５に絶縁部材１６を介して衝接板１０を固着し、可
動電極１１と衝接板１０とを常時接触させてスピンドル
２５の移動を間接的に可動電極１１に伝達させた構成で
も、また図１０および図１１に示すように固定電極１４
の他方面に対向する可動電極１１を絶縁部材７，８を介
して固定部材１５，１７に支持された板ばね９によって
支持すると共に、基準電極１３および固定電極１４を貫
通する可動棒２４を絶縁部材１９を介して固定部材４，
５に支持された板ばね６に支持し、上記可動棒２４を可
動電極１１に固着し、かつ可動棒２４にスピンドル２５
を常時接触させてスピンドル２５の移動を間接的に可動
電極１１に伝達させた構成でもよいものである。

【００４３】さらに、上記実施例の他に図１２に示すよ
うに固定電極１４の一面に対向して平板状の可動電極１
１を配慮して測定キャパシタを形成し、固定電極１４の
上下外周に対向して基準電極１３を配置して基準キャパ
シタを形成するように配置するようにしても、上記実施
例と同様の効果を奏する。

【００４４】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば帰還電圧
が誘導される平板状の固定電極と、スピンドルの機械的
な変位が伝達されるように上記固定電極の一面に対向し
て測定キャパシタを形成すると共に、スピンドルの変位
量と線形の関係を持つ測定方形波電圧が印加される平板
状の可動電極と、上記固定電極の他の面に対向して基準
キャパシタを形成し、上記測定方形波電圧と同一周波数
で逆相の基準方形波電圧が印加される平板状の基準電極
と、上記可動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固定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
装置とから構成したので、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できると共に、測定方形波
電圧はキャパシタンスの比で構成されるため、キャパシ
タの誘電体を同一とすれば誘電率の影響を全く受けない
ですみ、温度、湿度、気圧などの測定環境の変化の影響
を受けないようにしたなどの効果がある。

【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第
１実施例を示す断面図である。

【図２】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３】図２の位相関係を示すタイムチャートである。

【図４】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５】図４の位相関係を示すタイムチャートである。

【図６】検出部にインピーダンス変成器と放電用抵抗を
取り付けた回路図である。

【図７】この発明に係る静電容量型測定器の検出部の第
２実施例を示す断面図である。

【図８】この発明に係る静電容量型測長器の検出部の第
３実施例を示す断面図である。

【図９】図８のＡ−Ａ線断面図である。

【図１０】この発明に係る静電容量型測長器の検出部の
第４実施例を示す断面図である。

【図１１】図１０の右側面図である。

【図１２】この発明に係る静電容量型測定器の検出部の
第５実施例を示す断面図である。

【図１３】従来の静電容量型測長器の一例を示す断面図
である。

【符号の説明】 １１　　可動電極 １３　　基準電極 １４　　固定電極 ２５　　スピンドル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　帰還電圧が誘導される平板状の固定電
   極と、スピンドルの機械的な変位が伝達されるように上
   記固定電極の一面に対向して測定キャパシタを形成する
   と共に、スピンドルの変位量と線形の関係を持つ測定方
   形波電圧が印加される平板状の可動電極と、上記固定電
   極の他の面に対向して基準キャパシタを形成し、上記測
   定方形波電圧と同一周波数で逆相の基準方形波電圧が印
   加される平板状の基準電極と、上記可動電極の移動によ
   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
   記固定電極に誘導される帰還電極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静電容量型測
   長器。