JPH05113304A - 静電容量型測長器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、静電容量型測長器の測定範囲を
分割して測定精度の向上と測定感度の向上を図る。 【構成】 測定リング電極Ａとこれと中心軸を一致させ
且つ軸に沿ってスラスト方向に変位可能に装架した測定
コア電極Ｂとを設ける。また、補正リング電極とこれと
中心軸を一致させた補正コア電極、及び基準リング電極
とこれと中心軸を一致させた基準コア電極を有し、これ
らが補正キャパシタ群及び基準キャパシタ群を形成す
る。別に設けた電子装置により各コア電極に発生する帰
還電圧Ｅｍが零となるように測定及び補正リング電極に
基準及び補正方形波電圧Ｅ２、Ｅ３をそれぞれ印加す
る。測定コア電極の変位量をその変位に正比例する電圧
Ｅ３から求め、電気信号に変換する。

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機信号に変換する測長器に関し、
特に測定範囲を分割して各分割点で補正を行ない測定精
度、及び測定感度の向上を図ると共に電極間の誘電体の
誘導率の変動の影響を可及的に減ずるようになした静電
容量型測長器に係る。

【０００２】

【従来の技術】従来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り、この測長
器の要部は円筒状の測定電極１と基準電極２と、この電
極１、２内に同心状に配置された円柱状の共通のコア電
極３と、電極１とコア電極３との間を中心軸に沿って移
動する円筒状のスクリーン４とから構成されている。こ
の電極１、２にはそれぞれ基準方形波電圧Ｖｒと測定方
形波電圧Ｖｍが印加されている。この電圧Ｖｒ、Ｖｍは
同一周波数で位相差１８０度（逆相）の方形波電圧であ
り、電圧Ｖｒは一定で電圧Ｖｍは可変である。このよう
な構成の測長器の検出部において、電極１とコア電極３
との間には測定キャパシタＣｍ（キャパシタンスCm）が
形成され、電極２とコア電極３との間には基準キャパシ
タＣｒ（キャパシタンスCr) が形成される。この測長器
はスクリーン４が変位して測定キャパシタＣｍのキャパ
シタンスCmが変化すると、コア電極３に誘導されるＡＣ
電圧が零となるように電子装置により測定方形波電圧Ｖ
ｍが変化される。即ちこれは測定キャパシタＣｍに基準
方形波電圧Ｖｒを印加することによりコア電極３に発生
する電流ｉｒと、基準キャパシタＣｒに測定方形波電圧
Ｖｍを印加することによりコア電極３に発生する電流ｉ
ｍとの和が零となるように測定方形波電圧Ｖｍを変化さ
せることである。

【０００３】上記した関係から（１）式が成り立ち、
（１）式において電圧Ｖｍ、Ｖｒはその位相差が１８０
度（逆相）であるため異符号となりＶｒ＝−Ｖｒ’と表
すると（２）式となる。 CmＶｒ＋CrＶｍ＝０、Ｖｍ＝−ＶｒCm／Cr …（１） Ｖｍ＝Ｖｒ’Cm／Cr …（２） （２）式において、比例定数Ｖｒ’／Crは正となり測定
キャパシタＣｍのキャパシタンスCmと測定方形波電圧Ｖ
ｍとの関係はキャパシタンスCmが増加すると電圧Ｖｍも
増加し、またキャパシタンスCmが減少すると電圧Ｖｍが
減少する。図１３において、スクリーン４を電極１内に
差し込むよう移動（図中右方向に移動）させたときの変
位Ｘを正とするとき測定キャパシタＣｍのキャパシタン
スCmは（３）式で表される。尚、C0はスクリーン４が基
準位置（Ｘ＝０）にあるときの測定キャパシタＣｍのキ
ャパシタンスを表すものであり、ｂは正の比例定数であ
る。ここで測定方形波電圧Ｖｍは（２）、（３）式よ
り、変位Ｘの一次式として（４）式の如く表すことがで
きる。 Cm＝C0（１−ｂＸ）、Cm＝−ｂC0Ｘ＋C0 …（３） Ｖｍ＝−（Ｖｒ’ｂC0Ｘ／Cr）＋（Ｖｒ’C0／Cr） …（４） （４）式に示すように比例定数−Ｖｒ’ｂC0／Crは必ず
負の値となり、これにより図１４に示すとおり変位Ｘが
増加すると測定方形波電圧Ｖｍは減少し、変位Ｘが減少
すると、その電圧Ｖｍは増加することになる。このよう
にスクリーン４の変位Ｘを電極１内に差し込む方向を正
とすると、変位Ｘと測定方形波電圧Ｖｍの増加、減少の
関係は逆になり、変位Ｘと電圧Ｖｍは線形の関係にはあ
るが比例関係にはないことになる。

【０００４】一般にスクリーン４にはスピンドルが直結
されており、このスピンドルが押し込まれる方向、即ち
スクリーン４が電極１内に差し込まれる方向を正の値と
して表示し、従って上述したような変位Ｘと測定方形波
電圧Ｖｍとの関係において、この電圧Ｖｍを電圧計等で
計測して変位Ｘを表示する場合、電圧Ｖｍと変位Ｘとの
線形の関係を保ちながらその比例定数が正となるように
電圧Ｖｍを更に変換することが必要となり、この変換に
は高度の演算処理のできる電子回路の付加が絶対必要で
あった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の静電容量型測長器において実際に測定方形波電圧Ｖｍ
を利用して変位Ｘを表示するには高度の演算処理のでき
る電子回路の付加が必要であり、このような電子回路の
付加はコストアップにつながると共に回路の安全性及び
温度特性を低下させる要因ともなり、またそのような従
来の測長器における測定基点の調整は電子装置のみでし
か行なうことができず、同一電子装置を使用して複数の
測長器を構成した場合には測定基点を各測長器の検出部
にそれぞれ合わせることが必要であった。

【０００６】本発明は上記従来例における変換に必要な
電子回路を用いることなく直接に方形波電圧を利用して
変位Ｘを表示可能にして更に、測定基点を検出部内で調
整可能とし、これによりコストダウンを図り、また温度
特性及び安定性を向上させ、加えて測定範囲を分割して
各分割点での精度の補正が行なえるように構成して、主
要部品に極端な寸法精度を求めることなく、測定精度の
向上を図ると共に、この分割の切替点を設けたことで測
定範囲の分割数をｎとすると実にｎ倍の感度の向上が、
切替点を設けられない場合に比して理論上可能である、
上記特徴を有する静電容量型測長器を得ることを、その
課題とするものである。

【０００７】

【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、測定リング電極Ａとこれと中心軸を一致さ
せた測定コア電極Ｂが該軸に沿ってスラスト方向に変位
可能に装架し、ほかに、補正リング電極とこれと中心軸
を一致させた補正コア電極、及び基準リング電極とこれ
と中心軸を一致させた基準コア電極を容し、これらが補
正キャパシタ群及び基準キャパシタ群を形成して、別に
設けた電子装置により各コア電極に発生する帰還電圧Ｅ
ｍが零となるように前記測定リング電極に基準方形波電
圧Ｅ１、補正リング電極に補正方形波電圧Ｅ２、基準リ
ング電極に測定方形波電圧Ｅ３を印加して、前記測定コ
ア電極のスラスト方向での変位量を電気信号に変換し、
且つ分割して測定すべく構成したものである。

【０００８】

【実施例】以下図面と共に本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の測長器に係る検出部の主要部品の構成と
配置を示すもので、検出器のハウジング内に測定リング
電極Ａとこれと中心軸を一致させた測定コア電極Ｂがそ
の一端側にスピンドル１２を設けられ、軸受け１３を介
して該スピンドル１２に該測定リング電極Ａ内を中心軸
に沿ってスラスト方向に変位可能に装架されている。
尚、測定コア電極Ｂはバネ１５により端子１６と電気的
に接続されている。一方、電子装置のハウジング内に補
正キャパシタ群と基準キャパシタ群が内蔵されており、
補正キャパシタ群（実施例は５個の補正キャパシタより
構成されている）は５個の補正リング電極Ｆ１〜Ｆ５と
これと中心軸を一致させた５個の補正コア電極Ｇ１〜Ｇ
５からなり、基準キャパシタ群は同じく５個の基準リン
グ電極Ｈ１〜Ｈ５とこれと中心軸を一致させた５個の基
準コア電極Ｉ１〜Ｉ５からなっている。

【０００９】両コア電極（Ｇ１〜Ｇ５、Ｉ１〜Ｉ５）は
電気的に結線されており、同じハウジング内に配置され
た電子装置に帰還電圧Ｅｍを帰還する。また補正リング
電極（Ｆ１〜Ｆ５）には補正方形波電圧Ｅ２が切替可能
に、また基準リング電極（Ｈ１〜Ｈ５）には測定方形波
電圧Ｅ３がそれぞれに切替可能に電子装置により印加さ
れている。前記測定リング電極Ａには上記電子装置によ
り基準方形波電圧Ｅ１が印加され、また測定コア電極Ｂ
は端子１６、ばね１５を介して補正コア電極、基準コア
電極と電気的に結線されている。尚、両ハウジング間の
結線部分はシールド２１、２４により電気的にシールさ
れている。補正キャパシタ及び基準キャパシタの各リン
グ電極は円筒状であり、各コア電極は円柱状で両電極は
中心軸を一致させており、それぞれの電圧を印加されキ
ャパシタを形成している。補正キャパシタ群の補正リン
グ電極（Ｆ１〜Ｆ５）にはそれぞれ調整ネジ（５１〜５
５）が設けられ、補正キャパシタ（ＣF1〜ＣF5) のキャ
パシタンス（CF1 〜CF5)の微調整が可能に、同じく基準
キャパシタ群の基準リング電極（Ｈ１〜Ｈ５）にもそれ
ぞれ調整ネジ（７１〜７５）が設けられ、基準キャパシ
タ（ＣH1〜ＣH5) のキャパシタンス（CH1 〜CH5)の微調
整が可能になっている。

【００１０】図２は図１に示した検出部の電子装置側に
内蔵された主要部品の変更された構成を示し、この場合
補正リング電極（Ｆ１〜Ｆ５）は絶縁部材（６１〜６
４）にそれぞれ隔離されるも一体的に形成され、そのリ
ング内に中心軸を一致させた円柱状で長尺なコア電極Ｇ
が該リングを貫通して挿入されており、その一端側に基
準リング電極Ｈ０が該コア電極Ｇと中心軸を一致させ設
けられている。両リング電極とコア電極Ｇとの間にそれ
ぞれのキャパシタを形成していることやキャパシタンス
の微調整がなし得ること、電子装置によりそれぞれの電
圧が与えられていることは図１の場合と同様である。
尚、基準リング電極Ｈ０はキャパシタＣH0、キャパシタ
ンスCH0 、調整ネジ７０の符号が与えられている。

【００１１】図３は図１に示した検出部の主要部品を検
出器側に全て内蔵した場合を他例として示すもので、補
正キャパシタ群と基準キャパシタ群はシリーズに連結し
て配置されている。この場合各部品は図１と同一の構造
であり、内部における結線も同様であるが、ハウジング
外との結線、即ち電子装置との結線が追加されシールど
２２、２３により電気的にシールされている。

【００１２】図４は図３に示した検出部の主要部品を検
出器部に全て内蔵することに加えてその主要部品の変更
された構成を示し、この場合補正キャパシタ群と基準キ
ャパシタ群の構造を図２に示したものと同一の構造にし
て配置して結線しており、検出部の機能として前記の実
施例と実質的に同一視できる。

【００１３】図１に戻って、測定リング電極Ａと測定コ
ア電極Ｂとの間にはそれぞれの電圧が与えられ測定キャ
パシタＣA を形成し、該測定コア電極Ｂの一端側に絶縁
材１４を介して設けられるスピンドル１２を上記測定リ
ング電極Ａ内に押し込む方向に移動させると測定コア電
極の端末部Ｓが変位して上記測定キャパシタＣA のキャ
パシタンスCAも変化する。このときスピンドル１２が押
し込まれる方向（測定コア電極Ｂが測定リング電極Ａか
ら抜け出る方向）を正とし、即ちキャパシタＣA のキャ
パシタンスCAが減少する方向を正としている。このキャ
パシタンスCAの変化量を処理して上記端末Ｓの変位Ｘを
測長器の表示値ｙとしているが該端末部Ｓの変位による
測定範囲を実施例では５分割して５個の切替点を設けて
なる。

【００１４】図５の５．１〜５．６に示すように、測定
範囲中に測定コア電極の移動位置に対応した切替点が等
間隔に設けられ、測定始点ｑ０、切替点ｑ１、ｑ２…ｑ
５、（ｑn-1)、の位置は測定コア電極Ｂを正確に変位さ
せ、その時の測定方形波電極Ｅ３（基準リング電極に印
加されている）が零となるように各補正キャパシタ（Ｃ
F1〜ＣF5) を調整して予め等間隔Ｐに設定されている。
測定リング電極Ａには基準方形波電圧Ｅ１が印加されて
おり、測定始点ｑ０から第１の切替点ｑ１直前までは第
１から第５までの５個の補正キャパシタＣF1〜ＣF5の補
正リング電極Ｆ１〜Ｆ５に補正方形波電圧Ｅ２が印加さ
れ、第１の基準キャパシタＣH1の基準リング電極Ｈ１に
測定方形波電圧Ｅ３が印加されている。また、一般に補
正リング電極Ｆｎがｎ個設けられている場合、第ｕの切
替点ｑｕから第ｕ＋１の切替点ｑu+1 直前までは第ｕ＋
１から第ｎまでのｎ−ｕ個の補正キャパシタＣFu+1〜Ｃ
Fnの補正リング電極Ｆu+1 〜Ｆｎに補正方形波電圧Ｅ２
が印加され、第ｖの基準キャパシタＣHvの基準リング電
極に測定方形波電圧Ｅ３が印加される。また、第ｎ−１
の切替点ｑn-1 から測定終点ｑｎまでは第ｎの補正キャ
パシタＣFnの補正リング電極に補正方形波電圧Ｅ２が印
加され、第ｋの基準キャパシタＣHkの基準リング電極に
測定方形波電圧Ｅ３が印加される（ｕは１からｎ−２間
での正の整数で、ｋは１以上ｎ以下の正の整数で、ｖは
１からｋまでの正の整数である）。尚、補正方形波電圧
Ｅ２の印加されていない他の補正リング電極、及び測定
方形波電圧Ｅ３の印加されていない他の基準リング電極
はそれぞれ電気的に接地されている。また、測定リング
電極Ａ、補正リング電極（Ｆ１〜Ｆ５）及び基準リング
電極（Ｈ１〜Ｈ５）にそれぞれ印加される基準方形波電
圧Ｅ１、補正方形波電圧Ｅ２及び測定方形波電圧Ｅ３に
ついて、この基準方形波電圧Ｅ１は常に一定でありまた
補正方形波電圧Ｅ２は電圧Ｅ１の周波数と同一周波数を
有し位相差が１８０度となる逆相の電圧に設定されてお
り、これも常に一定に保たれている。測定方形波電圧Ｅ
３は電圧Ｅ１と同一周波数で同相の電圧であるが可変で
あり上記各電圧と共に後述する電子装置により供給され
ている。この測定方形波電圧Ｅ３の可変はそれぞれのキ
ャパシタが有しているコア電極に誘導される帰還電圧Ｅ
ｍが零になるように上記電子装置により可変される。更
に測定コア電極Ｂの変位Ｘが零の時、即ち端末部Ｓが測
定始点ｑ０にある時の測定キャパシタＣA のキャパシタ
ンスをC0として、

【数４】 となるように予め補正方形波電圧Ｅ２とキャパシタンス

【数５】 のいずれか一方または両方が調整されている。また、第
ｕの切替点ｑu においては、

【数６】 となるように補正方形波電圧Ｅ２とキャパシタンス

【数７】 のいずれか一方または両方が調整される。さらに、第ｎ
−１の切替点ｑn-1においては、CFn ｜Ｅ２｜＝Cn-1｜
Ｅ１｜となるように補正方形波電圧Ｅ２とキャパシタン
スCFn が調整される。

【００１５】次に、数式を交えて実施例の静電容量型測
長器の検出部における変位Ｘと測定方形波電圧Ｅ３との
関係を説明する。尚、この説明中では部品名等を省略し
て符号のみを用いて表すことがある。基本的に図１、図
５により、測定範囲を５分割して示すと、測定コア電極
Ｂの端末部Ｓが測定始点ｑ０より第１の切替点ｑ１まで
変位するときの測定は、測定リング電極Ａ、第１から第
５の補正リング電極Ｆ１〜Ｆ５、及び第１の基準リング
電極Ｈ１のそれぞれの方形波電圧、Ｅ１、Ｅ２及びＥ３
が印加され（その他の基準リング電極には電圧の印加は
なく電気的に接地されている）、スピンドル１２が押し
込まれ、これと一体的である測定コア電極Ｂの端末部Ｓ
は測定始点ｑ０より移動すると測定キャパシタＣAのキ
ャパシタンスCAが変化する。この時電子装置が働き、各
コア電極に誘導されるＡＣ電圧が零となるようにＥ３が
変化される。即ち、ＣA に流れる電流ｉA 、ＣF1〜ＣF5
にながれる電流ｉF1〜ｉF5、ＣH1に流れる電流ｉH1とす
れば次式が満足するようＥ３は変化させられる。

【数８】 ＣA 、ＣF1〜ＣF5、ＣH1のキャパシタンスをCA、CF1 〜
CF5 、CH1 とすると（５）式はつぎのように表せる。

【数９】 従ってＥ３は次式のようになる。

【数１０】 Ｅ３とＥ１は同相の方形波電圧で、Ｅ３とＥ２は逆相の
方形波電圧であり、Ｅ２’＝−Ｅ２と置き換えると
（６）式は次のようになる。

【数１１】 スピンドル１２が押し込まれる方向（測定コア電極Ｂが
測定リング電極Ａから抜け出る方向）を正として変位Ｘ
１を表し、Ｘ１＝０のＣA のキャパシタンスをC0とする
とCAは次式で表せる。 CA＝C0（１−ａ１Ｘ１） …（８） ここでａ１は、測定リング電極Ａと測定コア電極Ｂのキ
ャパシタンスを形成する部分の幾何学的寸法によって定
まる正の値である。（７）式に（８）式を代入して、

【数１２】 と表せ、

【数１３】 と置くと、（９）式は次のように変形される。 Ｅ３＝α１＋β１ …（１１）

【数１４】 即ち、

【数１５】 となるよう予め調整されているのでβ１＝０となり、Ｅ
３は次式で表すことができる。 Ｅ３＝α１Ｘ１＝C0Ｅ１ａ１Ｘ１／CH1 …（１２） 比例定数α１は正の値であり、Ｅ３とＸ１の関係は次の
ように言い表せる。Ｘ１が増加すると、Ｅ３はＸ１に正
比例して増加し、Ｘ１が減少すると、Ｅ３はＸ１に正比
例して減少する。またＸ１＝０の時、Ｅ３＝０となる。
尚、予めα１が基準値α０と等しくなるよう基準キャパ
シタＣH1のキャパシタンスCH1を調整してあるので、
（１２）式は、 Ｅ３＝α０Ｘ０ …（１３） と表すことができる。Ｅ３は電子装置によりγ倍（１／
α０倍）され、測長器は表示値γＥ３、即ち「Ｘ１」を
表示する。尚、表示値と端末部Ｓの変位との関係は図６
に示す。

【数１６】 の時は、β１は零でない定数となりＥ３はβ１増加し、
長さ表示値は見掛け上、Ｘ１＝０の点がγβ１、即ちβ
１／α０だけマイナス側に移動する。

【００１６】

【数１７】 の関係は、

【数１８】 またはＥ２を、或いはその両者を調整して保たれても良
いが補正キャパシタ群、基準キャパシタ群を検出部側に
内蔵して検出部に互換性をもたせる場合は、

【数１９】 を調整して保たれることが必要でその調整は調整ネジ５
１により行なわれる。一般にＥ２の調整には温度特性の
良好なポテンショメータなどの電気部品が用いられる
が、温度特性良好なることを非常に要求される場合は、
ポテンショメータ等の電気部品なしが好ましい。実施例
では補正キャパシタを設けたからじようき電気部品なし
で、Ｘ１＝０の点の調整を可能にしている。また、α１
＝α０の関係は基準キャパシタＣH1の基準リング電極Ｈ
１の調整ネジ７１によりキャパシタンスCH1 を調整して
行なわれる。尚、Ｅ３はC0／CH1 、

【数２０】 というキャパシタンスの比で構成されるので、ＣA1、Ｃ
F1〜ＣF5、ＣH1が同一誘電体で構成されていれば誘電体
の影響を全く受けることがない。端末部Ｓが切替点ｑ１
に達すると電子装置に内蔵されたカウンタ（図示省略）
が１カウント分カウントアップして、このカウント値は
電子装置によりδ倍され、測長値に換算されて測長器は
「δ」を表示する。この時同時に、基準方形波電圧Ｅ１
と同一周波数で逆相の補正方形波電圧Ｅ２が第１の補正
リング電極Ｆ１から解除され、第２から第５の補正リン
グ電極Ｆ２〜Ｆ５に印加される状態となり、更に基準方
形波電圧Ｅ１と同一周波数で同相の測定方形波電圧Ｅ３
が第１の基準リング電極Ｈ１から第２の基準リング電極
Ｈ２に切り替えて印加される。尚、基準方形波電圧Ｅ２
は測定リング電極Ａに印加されたまま保たれ、上記、電
圧の印加のない補正キャパシタ、基準キャパシタは電気
的に接地される。

【００１７】測定コア電極Ｂの端末部Ｓが切替点ｑ１よ
りｑ２に向かって移動すると、上述したｑ０よりｑ１に
向かうときと同様に、測定キャパシタＣA のキャパシタ
ンスCAが変化する。この時電子装置が働き各コア電極に
誘電されるＡＣ電圧が零となるように、Ｅ３が変化され
る。即ち、ＣA 、ＣF2〜ＣF5、ＣH2に流れる電流をｉA
、ｉF2〜ｉF5、ｉH2とすれば、次式が満足するように
Ｅ３は変化させられる。

【数２１】 ＣA 、ＣF2〜ＣF5、ＣH2のキャパシタンスをCA、CF2 〜
CF5 、CH2 とすると（１４）式は、

【数２２】 と表せ、従ってＥ３は次式のようになる。

【数２３】 ｑ０よりｑ１への移動の時と同様に、Ｅ２’＝−Ｅ２と
置き換えると（１５）式は次のようになる。

【数２４】 切替点ｑ１から端末部Ｓの変位をＸ２とし、変位Ｘ２の
正の方向をｑ０よりｑ１と同じ方向として切替点ｑ１
（Ｘ２＝０の点）のＣA のキャパシタンスをC1とすると
CAは次式で表すことができる。 CA＝C1（１−ａ２Ｘ２） …（１７） ここでａ２は（８）式のａ１と同様、正の値である。
（１６）式に（１７）式を代入し、ｑ０よりｑ１と同様
に

【数２５】 と置くと（１７）式は次のようになる。 Ｅ３＝α２Ｘ２＋β２ …（１９）

【数２６】 となるよう予め調整されており、β２＝０となり、Ｅ３
は前述同様次式で表せる。 Ｅ３＝α２Ｘ２＝C1Ｅ１ａ２Ｘ２／CH2 …（２０） 比例定数α２は正の値であり、Ｅ３とＸ２の関係は（１
２）式の時のＸ１をＸ２に読み替えて、同様のことが言
える。尚、α２が基準値のα０と等しくなるようCH2 が
調整されるので、Ｅ３＝α０Ｘ２ …（２１）として表
すことができる。そして測長器は、表示値γＥ３＋δ、
即ち「Ｘ２＋δ」を表示する。

【数２７】 の関係は前述に準じて、ＣF2の調整ネジ５２を調整し
て、キャパシタンス

【数２８】 を調整することで保たれ、α２＝α０の関係も同じく基
準リング電極Ｈ２の調整ネジ７２によりCH2 を調整して
行なわれる。またこの時もＣA 、ＣF2〜ＣF5、ＣH2が同
一誘電体で構成され、誘電率の影響を受けることは全く
ない。端末部Ｓが切替点ｑ２に達すると、これも前述に
準じて、カウンタが更に１カウント分カウントアップさ
れ測長器は表示値「２δ」を表示する。これと同時にＥ
２が第２の補正リング電極Ｆ２から解除され、補正リン
グ電極Ｆ３〜Ｆ５に印加され、Ｅ３が第３の基準リング
電極Ｈ３に切り替えられて印加される。

【００１８】端末部Ｓが更に切替点ｑ２よりｑ３に向か
って移動すると、切替点ｑ０よりｑ１、ｑ１よりｑ２の
時と同様にＣA のキャパシタンスCAが更に変化する。こ
の時も電子装置が働き各コア電極に誘導されるＡＣ電圧
が零となるよう、Ｅ３が変化される。そして切替点ｑ２
からの変位をＸ３と表し、変位Ｘ３の方向を切替点ｑ０
よりｑ１と同じ方向として切替点ｑ２（Ｘ３＝０の点）
のＣA のキャパシタンスをC2と表し、そしてＣF3〜ＣF5
のキャパシタンス

【数２９】 が、

【数３０】 となるよう補正キャパシタＣF3の調整ネジ５３により予
め調整してあれば、Ｅ３は次式で表され、 Ｅ３＝α３Ｘ３ …（２２） ここで、 α３＝C2Ｅ１ａ３Ｘ３／CH3 …（２３） であり、ａ３は前述のａ１、ａ２と同様正の値である。
また、α３＝α０となるようＣH3のキャパシタンスCH3
は調整ネジ７３により調整されており、そして測長器は
表示値γＥ３＋２δ、即ち「Ｘ３＋２δ」を表示する。
切替点ｑ３以後も前述同様に変位Ｘに比例した方形波電
圧Ｅ３が得られ、測長器は、切替点ｑ３では表示値「３
δ」を、ｑ４では「４δ」が表示され、ｑ３よりｑ４、
ｑ４よりｑ５（実施例では測定終点）では「Ｘ４＋３
δ」、「Ｘ５＋４δ」が表示される。また、端末部Ｓが
上記の逆方向、即ち測定コア電極Ｂが測定リング電極Ａ
より挿入される方向に移動するときは、各切替点でカウ
ンタが１カウント毎ダウンし、同時に各電極への印加も
切り替えられながら測定始点に戻って行く。尚、実施例
では上記の切替点を４個としたが、これの増減は設計上
の目的用途に応じて自由に設定されるものである。

【００１９】ここで、補正キャパシタ群、基準キャパシ
タ群の各リング電極に付属しているキャパシタの調整ネ
ジ（５１〜５５、７１〜７５）の調整の手順を説明す
る。測定始点ｑ０、及び各切替点の位置は端末部Ｓを正
確に変位させることによって得、それ等の各位置ｑ０〜
ｑ４は正確に等間隔のピッチＰで決められ、これらの位
置で上記キャパシタの調整はなされる。まず端末部Ｓを
測定始点ｑ０より正確に４Ｐ変位させ（切替点ｑ４に正
確に変位させ）、補正方形波電圧Ｅ２が補正キャパシタ
ＣF5に、測定方形波電圧Ｅ３が基準キャパシタＣH5に印
加されるようにし、この位置で測長器の表示値が「４
δ」となるように（即ちＥ３＝０となるように）補正キ
ャパシタＣF5を調整ネジ５５により調整し、切替点ｑ４
より測定終点ｑ５の方向に端末部Ｓを測定終点ｑ５直前
までＰ５変位させ測長器の表示値が「４δ＋Ｐ５」とな
るように基準キャパシタＣH5を調整ネジ７５で調整す
る。次に、測定コア電極の端末部Ｓを測定始点ｑ０より
正確に３ピッチ変位させ（切替点ｑ３に変位）、Ｅ２が
補正キャパシタＣF4、ＣF5に、Ｅ３が基準キャパシタＣ
H4に印加されるようにして、表示値が「３δ」となるよ
うに（Ｅ３＝０となるように）補正キャパシタＣF4を調
整ネジ５４で調整し、端末部Ｓを切替点ｑ３よりｑ４の
方向にピッチＰより僅かに少ない寸法Ｐ４変位させ、表
示値が「３δ＋Ｐ４」となるように基準キャパシタＣH4
を調整ネジ７４で調整する。次に、同様にして、端末部
Ｓを測定始点ｑ０より２Ｐ（切替点ｑ２に）変位させ、
Ｅ２が補正キャパシタＣF3〜ＣF5に、Ｅ３が基準キャパ
シタＣH3に印加されるようにして、表示値が「２δ」
（Ｅ３＝０）になるように補正キャパシタＣF3を調整ネ
ジ５３で調整し、端末部Ｓを切替点ｑ２よりｑ３の方向
にピッチＰより僅かに少ない寸法Ｐ３変位させ、表示値
が「２δ＋Ｐ３」となるように基準キャパシタＣH3を調
整ネジ７３で調整する。更に、端末部Ｓを測定始点ｑ０
よりＰ（切替点ｑ１に）変位させ、Ｅ２が補正キャパシ
タＣF2〜ＣF5に、Ｅ３が基準キャパシタＣH2に印加され
るようにして、表示値が「δ」（Ｅ３＝０）になるよう
に補正キャパシタＣF2を調整ネジ５２で調整し、端末部
Ｓを切替点ｑ１よりｑ２の方向にピッチＰより僅かに少
ない寸法Ｐ２変位させ、表示値が「δ＋Ｐ２」となるよ
うに基準キャパシタＣH2を調整ネジ７２で調整する。そ
して、最後に、端末部Ｓを測定始点ｑ０に正確に変位さ
せ、Ｅ２が補正キャパシタＣF1〜ＣF5に、Ｅ３が基準キ
ャパシタＣH1に印加されるようにして、表示値が「零」
（Ｅ３＝０）になるように補正キャパシタＣF1を調整ネ
ジ５１で調整し、端末部Ｓを切替点ｑ０よりｑ１の方向
にピッチＰより僅かに少ない寸法Ｐ１変位させ、表示値
が「Ｐ１」となるように基準キャパシタＣH1を調整ネジ
７１で調整する。この一連の手順を経て検出部の調整は
終了する。

【００２０】上記に説明したように、測定範囲を分割し
て、この分割数をｎとすると分割のない場合に比較し
て、単位測定長さ当たりの基準方形波電圧Ｅ１がｎ倍と
なり、理論的にはｎ倍の測定感度の向上が図れ、また各
キャパシタを構成するリング電極とコア電極の中心軸は
一致するようなしてあり、このため衝撃などにより互い
の中心軸が僅かに動き、ズレが生じたとしてもその影響
は中心軸同志がが一致していない構成のものに比し、皆
無に近い。更に、測定キャパシタＣA を含めて各キャパ
シタのリング電極及びコア電極の材料を同一にすれば、
各部品類の熱膨張も同一となり、温度変化の向上も図れ
るのである。加えて、特に図３、図４に示したように、
検出部側に補正キャパシタ群及び基準キャパシタ群を内
蔵した時、キャパシタ群のキャパシタンスの調整が検出
部側で可能であり、従って複数個の、検出部における基
準値α０の一致、Ｘ１＝０点の調整がなし得、各検出部
の測定原点までも一致させて互換性を持たせることがで
きる。このほか、測定リング電極Ａと測定コア電極Ｂの
円筒度、真円度等の幾何学的寸法精度が良好であるとき
は基準キャパシタ群の数は分割数より減じて少なくとも
１個にすることができる（図２、図４）からこれのコス
トダウンも図れる。この場合でもそれぞれの切替点間で
は、決まった基準キャパシタが対応して使用される。ま
た各補正、基準の両コア電極群を一体化すること、更に
その両電極を一体化することで電極間の電気接続をなく
し、しかもコストダウンが図れる（図２、図４）。用い
られる測定コア電極Ｂは円柱状でスピンドル１２の中心
軸と一致して絶縁部材１４を介して固定されており、こ
の中心軸は測定リング電極Ａの中心とも一致しているた
め、スピンドル１２とその軸受１３に生ずるラジアル方
向のガタの影響を僅少にして、更に該軸受１３にボール
リテーナを採用して予圧状態としておけば上記スピンド
ル１２のガタを皆無とすることができて、このガタの影
響をなくすことができる。

【００２１】図１、図３に示すような補正キャパシタ群
と基準キャパシタ群の如く、各個にコア電極を独立に有
して構成される場合、図７に示すような構造の部品と代
えて構成することができる。即ち、リング電極８１、コ
ア電極８２、絶縁部材８３よりなり、リング電極８１の
一端側に雌ネジが設けられている絶縁部材８３が固着さ
れ、その雌ネジにはコア電極８２の雄ネジ部が螺合され
ており、キャパシタンスの調整はこのコア電極８２を回
転して微調整される。尚、この場合も両電極（８１、８
３）の中心軸は一致している。

【００２２】次いで、検出部に必要電圧を供給する電子
装置の実施例を説明する。図８において、発振器３０は
水晶式でもＣＲ式でも良いが、水晶式の場合一般に高周
波であるため、分周器（図示省略）を用いて所望の周波
数とする。基準方形波電圧Ｅ１はＤＣ電圧Ｅｒと接地レ
ベルとの間を発振器３０の出力電圧ＥOSC で制御される
電子スイッチ３１で切り替えられることで得ており、補
正方形波電圧Ｅ２はＤＣ電圧−Ｅｒを同じくＥOSC で制
御される電子スイッチ３２の切り替えにより得られてい
る（Ｅ１、Ｅ２の位相は図９に示してある）。回路中に
示すＥ４は、帰還電圧ＥｍまたはＥｍ’を入力増幅器３
３により増幅したＡＣ電圧であり、ＥOSC の半周期毎に
復調器３４により復調され差動積分器３５に送られる。
復調された信号が零と異なると差動積分器３５の出力Ｄ
Ｃ電圧Ｅ０は、復調された電圧の振幅及び極性の関数と
して該差動積分器３５への入力が零に達するまで変化す
る。測定方形波電圧Ｅ３は、Ｅ０と一定電圧（実施例で
は接地レベル）との間をＥ0SC で電子スイッチ３６を切
り替えることで得られ、Ｅ０と同様にこの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Ｅ３
は前述の通り、各切替点の間で端末部Ｓの変位に比
例）。電圧Ｅ４は好ましくない結合や時間遅延により過
渡状態が特に方形波の切替点の側面で発生し、ある時間
後減衰して消滅する（図９、ｔ１１〜ｔ１３、ｔ２１〜
ｔ２３）。この過渡状態は電圧Ｅ０、Ｅ３の安定性を低
下させ、ひいては測定器の指示にも影響し、安定度を極
めて求められる測長器においては充分配慮する必要があ
る。

【００２３】図１０は上記過渡状態を除くために入力増
幅器３３と復調器３４との間に過渡抑制器３９を介入さ
せた場合を示し、図１１はこの回路における各電圧の位
相と波形を示すものである。基準方形波電圧Ｅ１、補正
方形波電圧Ｅ２は、発振器３０の出力電圧Ｅ0SC により
時間遅延回路３７、分周回路３８を経て制御される電子
スイッチ３１、３２により得ている（図８と略同様
に）。過渡抑制器３９は最も簡単な場合、電子スイッチ
で発振器のクロック信号の１周期毎に過渡状態でない部
分のみを通過させるようになされており、この実施例に
おいても、ＥOSC に応答して電圧Ｅ４を継断する電子ス
イッチにより構成され、過渡状態のない部分（ｔ０１〜
ｔ０２、ｔ１１〜ｔ１２・・・）のみを通過させ、この
信号を復調器３４に入力して、ＥOSC の１周期毎（ｔ
０、ｔ２・・・、及びｔ１、ｔ３・・・毎）に復調し差
動積分器３５に入力するようなしてあり、この間に過渡
状態は除かれ、従って、電圧Ｅ３は電圧Ｅ４の過渡状態
の影響を全く受けることはない。即ち、Ｅ0SC を所定時
間遅延した信号に応答して各電子スイッチが状態を切り
替えるよう設定されており、これら電子スイッチから出
力される方形波電圧Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の発生タイミング
と該電圧Ｅ0SC との発生タイミングは遅延した分だけズ
レることになり、この発生タイミングのズレの範囲内に
電圧Ｅ４の過渡状態が収まるように設定すれば、その状
態の発生している間だけ過渡抑制器３９をオフにするこ
とができ、このことは電圧Ｅ４より過渡状態が除かれた
ことになるのである。

【００２４】このほか、各コア電極に誘導される帰還電
圧Ｅｍは各方形波電圧Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３の干渉を受けな
いよう、また各方形波電圧同志も互いに干渉することの
ないように処置することが必要であり、電子装置及び検
出部の両ハウジング間の接続はその結線の全てをシール
ドするが該結線が多数であるときは、これの簡略化が望
まれる。図１２は、この簡略化に対する実施例を示すも
ので、インピーダンス変成器２６と放電用抵抗２７を回
路中に設けることで達せられる。即ち各コア電極にイン
ピーダンス変成器２６の入力側と放電用抵抗２７の一方
を接続し、該放電用抵抗２７の他方を接地して、該イン
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（この場合、入力増幅器３３は電流電圧
変換回路のような入力インピーダンスの小さな回路構成
とすることが必要である）。これにより検出器側に設け
られたインピーダンス変成器２６と電子装置側にある入
力増幅器３３との間のインピーダンスを小さくして、シ
ールドの簡略化をすることができる。このため格別の高
感度、高精度を要求されない一般の測定器では前記結線
をまとめてシールドすることが可能となる。但し、上記
格別の要求がある場合は結線の一本ずつをシールドする
ことが望ましい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば測定コア電極の変位量Ｘ
は、測定コア電極が測定リング電極から抜け出る方向を
正とすると、この変位Ｘに正比例すると共に比例定数が
正となる測定方形波電圧Ｅ３から検出することができ
る。従って従来例のような高度の演算処理のできる電子
回路等の電子回路の必要がなくなり、このような電子回
路による安定度への影響や温度特性の影響を排除するこ
とができて、安定性及び温度性能を向上し、更にコスト
ダウンを図ることもできる。また、補正キャパシタとそ
のキャパシタンス調整用の調整ネジを設けたことにより
検出部の零点調整をポテンショメータ等の電気部品なし
で行なうことが可能となり、この電気部品の安定度への
影響や温度特性の影響を排除することができ、安定性及
び温度特性の向上を図ることができる。また、検出部を
移動することなく検出部側で零点調整することができる
ため、機械類に取り付けて使用する場合、一般に機械側
に設けられる微動の零点調整装置を不要とすることがで
きる。このため１つの電子装置に多数の検出部を切り替
え使用する場合に極めて有効である。更に、基準キャパ
シタと補正キャパシタにキャパシタンス調整用の調整ネ
ジを設けたことにより、異なる検出部を共通の電子装置
に、測定原点等の校正をすることなしに接続することが
できる。特に、検出部の測定範囲中に切替点を設けたこ
とにより、測定範囲が分割され各切替点での精度の補正
が可能となり、測定リング電極、測定コア電極の円筒度
又は真円度等の寸法精度について、極端に拘ることなく
測定精度の向上が図れる。加えて、同じく測定範囲中に
切替点を設けたことにより測定範囲が分割され、この分
割数をｎとすると、切替点なしの場合と比較して理論的
にｎ倍の感度の向上が図れる。また、前記測定方形波電
圧Ｅ３はキャパシタンスの比で構成されており、全ての
キャパシタの誘電体を同一とすることにより誘電体の影
響を全く受けることがない。更に、各リング電極及びコ
ア電極の材料を同一とすることにより、検出部の温度性
能の向上を図ることができる。また、各リング電極と各
コア電極の中心軸を一致させているので、中心軸同志の
距離が変化したとしても測定電圧への影響を極めて小さ
くすることができる。このほか、電子装置内に過渡抑制
器を設けたことにより過渡状態のない信号から必要電圧
を合成することができて、測長器の安定度を更に向上さ
せることができる。また、検出部内にインピーダンス変
成器と放電用抵抗を設けることでハウジング外への接続
線をまとめてシールドすることが可能である。更に、ス
ピンドルの軸受にボールリテーナを用いて予圧状態にし
ておくことにより、スピンドルのガタの影響をなくすこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電容量型測長器に係る検出部の主要
部品の構成と配置の一例を示す断面図である。

【図２】図１に示す静電容量型測長器における検出部の
変更された主要部品の構成を示す断面図である。

【図３】図１における検出部の主要部品の構成と配置に
ついて他例を示す断面図である。

【図４】図３における検出部の変更された主要部品の構
成と配置を示す断面図である。

【図５】検出部の測定コア電極の端末部Ｓの変位と各切
替点との関係を各段階について示す断面図である。

【図６】図５の各切替点における端末部Ｓの変位と当該
測長器の表示値ｙとの関係を示す図である。

【図７】本発明における検出部の主要部品のその他の構
造を示す断面図である。

【図８】本発明の静電容量型測長器の電子装置の要部を
示す回路図である。

【図９】図８における出力電圧の位相関係を示すタイミ
ング図である。

【図１０】本発明の静電容量型測長器の過渡抑制器を設
けた電子装置の要部を示す回路図である。

【図１１】図１０における出力電圧の位相関係を示すタ
イミング図である。

【図１２】本発明の静電容量型測長器に係る検出部に設
けられるインピーダンス変成器と放電用抵抗を示す回路
図である。

【図１３】従来の静電容量型測長器に係る検出部の主要
部品の構成と配置を示す断面図である。

【図１４】図１３における検出部の測定方形波電圧Ｖｍ
とスクリーンの変位Ｘとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 測定電極 ２ 基準電極 ３ コア電極 ４ スクリーン １２ スピンドル １３ 軸受 １４ 絶縁部材 １５ バネ １６ 端子 ２１〜２４ シールド ２６ インピーダンス変成器 ２７ 放電用抵抗 ３０ 発振器 ３１、３２、３６ 電子スイッチ ３３ 入力増幅器 ３４ 復調器 ３５ 差動積分器 ３９ 過渡抑制器 ５１〜５５、７０〜７５ 調整ネジ ６１〜６４、８３ 絶縁部材 ８１ リング電極 ８２ コア電極 Ａ 測定リング電極 Ｂ 測定コア電極 ＣA 、Ｃｍ 測定キャパシタ ＣF1〜ＣF5 補正キャパシタ ＣH1〜ＣH5、ＣH0、Ｃｒ 基準キャパシタ CA、CF1 〜CF5 、CH1 〜CH5 、CH0 キャパシタンス Ｅ１ 基準方形波電圧 Ｅ２ 補正方形波電圧 Ｅ３ 測定方形波電圧 Ｅｍ、Ｅｍ’ 帰還電圧 ＥOSC 発振器の出力電圧 Ｆ１〜Ｆ５ 補正リング電極 Ｇ１〜Ｇ５ 補正コア電極 Ｈ１〜Ｈ５、Ｈ０ 基準リング電極 Ｉ１〜Ｉ５ 基準コア電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状の測定リング電極Ａと、この電極
   Ａ内の中心線上を可動する円柱状の測定コア電極Ｂと、
   この電極Ｂと電気的に接続され、一定間隔をもって併列
   配置された円筒状の複数の補正リング電極Ｆn(n は正の
   整数)及び基準リング電極Ｈk(k は１以上n 以下の正の
   整数) と、この補正リング電極Ｆn 及び基準リング電極
   Ｈk の内周に同心状に設けられた前記補正リング電極Ｆ
   n 及び基準リング電極Ｈk の数に対応する数以下の数の
   補正コア電極Ｇn 及び基準コア電極Ｉk とを有し、前記
   測定リング電極Ａ内位置には、前記測定コア電極Ｂの移
   動位置に対応した複数の切替点ｑn-1 を予め設定された
   等間隔Ｐで設け、前記測定コア電極Ｂの先端が前記複数
   の切替点ｑn-1 のそれぞれに達した時点で、その切替点
   位置に対して、一定の基準方形波電圧（Ｅ１）が印加さ
   れる測定リング電極Ａと、前記基準方形波電圧（Ｅ１）
   と同一周波数で逆相の補正方形波電圧（Ｅ２）が対応す
   る各切替点qn-1以後の全てに印加される補正リング電極
   Ｆn と、基準方形波電圧（Ｅ１）と同一周波数で同相の
   測定方形波電圧（Ｅ３）が印加される基準リング電極Ｈ
   k とへの給電の組合せを選択的に行なうようにし、補正
   方形波電圧（Ｅ２）と、補正リング電極Ｆn と補正コア
   電極Ｇn より形成される補正キャパシタＣFnのキャパシ
   タンス 【数１】 のいずれか一方又は両方を調整することにより、前記切
   替点qn-1に到達した時点の測定キャパシタＣA のキャパ
   シタンスCAと基準方形波電圧（Ｅ１）の絶対値（｜Ｅ１
   ｜）との積（CA｜Ｅ１｜）が補正キャパシタＣFnのキャ
   パシタンス 【数２】 と補正方形波電圧（Ｅ２）の絶対値（｜Ｅ２｜）との積 【数３】 に等しくなるように設定し、帰還電圧（Ｅｍ）の過渡状
   態を取り除く過渡抑制器と、その出力信号を復調する復
   調器と、復調された信号が零でないときにこの信号が零
   になるまでその信号の振幅及び極性の関数として変化す
   る測定ＤＣ電圧Ｅ０を出力する差動積分器とを備えた電
   子装置により、前記測定コア電極Ｂの変位により測定リ
   ング電極Ａと測定コア電極Ｂにより形成される測定キャ
   パシタＣAのキャパシタンスCAが変化すると、測定コア
   電極Ｂ、補正コア電極Ｇn 及び基準コア電極Ｉk に誘導
   される帰還電圧（Ｅｍ）が零となるように、電子装置に
   より、一定のＤＣ電圧と可変のＤＣ電圧（Ｅ０）との間
   を交互に切り替えることによって測定方形波電圧（Ｅ
   ３）を変化させることを特徴とする静電容量型測長器。
2. 【請求項２】 インピーダンス変成器の入力側と放電用
   抵抗の一方側を前記基準コア電極または補正コア電極に
   接続し、インピーダンス変成器の出力側を前記電子装置
   に接続し、放電用抵抗の他方側を接地したことを特徴と
   する請求項１記載の静電容量型測長器。