JPH09280806A - 静電容量式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対向電極間に形成される静電容量を利用し
て、その電極間の間隔変化を計測する静電容量式変位計
に関し、計測精度および計測範囲の向上を目的とする。 【解決手段】 計測対象に対向して設定したガードリン
グ付きセンサ電極５を、シールド線７の中心導体７ａを
介し演算増幅器９の反転入力に接続し、演算増幅器９の
出力と前記入力間に基準容量を接続する。また、シール
ド線の外部導体７ｂは演算増幅器９の非反転入力に接続
するとともに、演算増幅器９および基準容量を静電遮蔽
するシールドケース８に接続され、これにより検出回路
１００を構成する。また検出回路はシールドケースごと
回路アースに対しフローティング構造にして、該検出回
路をシールドケースごと交流信号で駆動し、更に検出回
路の出力が一定となるように前記交流信号の振幅を制御
することにより測定容量を定電流駆動するようにしたた
め、検出感度が高く、また前記交流信号の振幅値と測定
変位が比例関係となることから直線性に優れ、精度およ
び計測範囲の向上の要求に応えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対向電極間に形成
される静電容量を利用して、その静電容量値を測定する
ことで、計測対象までの距離や振動変位または表面凹凸
を計測する静電容量式変位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように対向電極間に形成される静
電容量を測定して、その電極間の間隔を計測するには、
交流ブリッジの一辺に測定容量を挿入する方式や、抵抗
と測定容量による充放電を利用したＲＣ発振方式や、コ
イルと測定容量の共振作用を利用したＬＣ発振方式、お
よび電流、電圧のベクトル値を測定し変位に換算する方
式などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来方式によ
る静電容量の測定では、測定容量がある程度大きい場合
や、計測応答速度が遅くても良い場合に適用されるもの
で、計測対象の形状や目的から、センサ電極の面積を１
００ｍｍ² 以下にする必要がある場合や、測定範囲を数
ｍｍ以上とりたい場合など、測定容量が１ｐＦ以下とな
る用途では、検出回路の浮遊容量の影響を排除すること
や、使用する素子や周波数の選定が難しくなり、このた
め計測対象との間隔に比例した出力を得ることが難しく
なるばかりでなく、検出回路として成立させることさえ
困難である。

【０００４】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、検出回路の浮遊容量をほとんど排除し、
測定容量を定電流駆動させることにより、たとえ測定対
象が１ｐＦ以下の微小容量であっても直線性に優れ、１
０ｍｍ以上の広い範囲の計測が可能な静電容量式変位計
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の静電容量式変位計は、計測対象に対向して
設定したガードリング付きセンサ電極を、シールド線の
中心導体を介し演算増幅器の反転入力に接続し、演算増
幅器の出力と前記入力間に基準容量を接続し、前記演算
増幅器と基準容量を静電遮蔽するシールドケースで被
い、前記演算増幅器の非反転入力をシールドケースに接
続し、他端をガードリング電極に接続したシールド線の
外部導体を、シールドケースに接続して検出回路を構成
し、該検出回路をシールドケースごと回路アースに対し
フローティング構造にして、交流信号で駆動し、前記演
算増幅器の出力と前記交流信号の差電圧が一定となるよ
うに前記交流信号の振幅を制御して、測定容量を定電流
駆動し、このときの前記交流信号の振幅値から変位出力
を得る構成としている。

【０００６】また、計測範囲または使用するセンサ電極
の電極面積に応じて、基準容量の値を離散的または連続
的に変化させる事で計測範囲の拡大を図っている。

【０００７】更に、シールド線に２重シールド線を用
い、中心導体はセンサ電極と演算増幅器の反転入力に接
続し、内部導体はガードリング電極とシールドケースに
接続し、外部導体はガードリング電極の外周に設けたシ
ールド導体と回路アースに接続し、また計測対象からの
帰還電流が２重シールド線の外部導体に流れるように前
記シールド導体と計測対象を電気的に接続させて検出回
路を構成し、更に交流駆動信号の電流を測定してシール
ド線の長さを求め、校正データを基にシールド線の長さ
に起因する計測誤差を補償する構成と、検出回路からの
検出信号を離散的または連続的に増幅する信号増幅手段
を備え、計測対象とセンサ電極の間隔が最大間隔にある
ときに交流駆動信号の振幅値が最大になるように調整す
ることで計測精度を向上させている。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施の形態を説明する。

【０００９】まず、初めに本発明の計測原理について図
１に基づき説明する。

【００１０】周知の通り、図１に示すような平行平板電
極２，３の電極間隔ｄと、電極間に形成される静電容量
１の関係は式１で表される。

【００１１】

【数１】

【００１２】更に静電容量１と電流Ｉ、電圧Ｖの関係は
式２で表される。

【００１３】

【数２】

【００１４】式２を式１に代入すると、

【００１５】

【数３】

【００１６】式３において、通常の空気の誘導率εａは
ほぼ一定と見なせ、また電極間に印加する交流信号Ｓａ
ｃの周波数ｆと電流Ｉを一定値に設定すると、電極面積
Ｓは固定であるからこれらを定数とすると、前記式３は
式４に簡略化出来る。

【００１７】

【数４】

【００１８】つまり図１に示すように、電極間に形成さ
れる静電容量１を定電流Ｉで駆動すると、電極間の電位
差Ｖは電極間隔ｄに比例する。これが原理であり、この
計測原理を具体化したのが本発明である。

【００１９】（第１の実施の形態）図２は、本発明の基
本となる第１の実施の形態を示す回路ブロック図であ
る。図２においてこの静電容量式変位計は、センサ電極
５はシールド線７の中心導体７ａを介し、演算増幅器９
の反転入力端子に接続され、演算増幅器９の出力と前記
反転入力間に基準容量１０を接続してある。一方、ガー
ドリング電極６はシールド線７の外部導体７ｂを介し
て、演算増幅器９の非反転入力に接続されるとともに、
シールドケース８に接続されている。つまり、測定容量
１を測定するための構成要素であるセンサ電極５、中心
導体７ａ、演算増幅器９および基準容量１０を、ガード
リング電極６、外部導体７ｂ、シールドケース８にて静
電遮蔽して検出回路１００を構成している。また、この
検出回路１００は回路アースに対し、フローティング構
造にしてある。このように構成する事で、検出回路１０
０の内部への電気ノイズの侵入防止と、シールド線７と
演算増幅器９周りの浮遊容量を測定容量１に比べ無視で
きるほどに減少させている。なお、ここでガードリング
電極６は、センサ電極５を理想的な平行平板電極にせし
めるために電気力線を整えるように作用するものとして
必要であることは周知のとおりであるが、このためには
センサ電極５と同レベルの電位で駆動する必要がある。
該検出回路１００では演算増幅器９が有する２つの入力
の仮想短絡動作を利用してガードリング電極６が交流駆
動信号Ｖａｃで駆動されると演算増幅器９によりセンサ
電極５の電位が交流駆動信号Ｖａｃに追従して同電位と
なることで実現している。また同時に電極または入力間
に物理的に存在する浮遊容量は、この同電位であること
から等価的に減少されている。

【００２０】このようにして構成された検出回路１００
の出力は式５で表される。

【００２１】

【数５】

【００２２】また、シールド線７の中心導体７ａを流れ
るセンサ電流Ｉｓは式６で表される。

【００２３】

【数６】

【００２４】式６を式５に代入すると式７となる。

【００２５】

【数７】

【００２６】以上のことから、前述した計測原理に基づ
き測定容量１を定電流駆動とするためには、センサ電流
Ｉｓに比例する検出電圧Ｖｄが一定電圧となるように交
流駆動信号Ｖａｃの振幅電圧を制御すれば良い。従っ
て、まずトランス１１にて検出電圧Ｖｄをフローティン
グ状態にある検出回路１００から取り出し、整流回路１
２にて直流Ｖｄｃに変換する。また、一定制御する際の
指示電圧Ｖｓを振幅設定回路１３にて設定する。そして
直流化検出信号Ｖｄｃが振幅指示電圧Ｖｓになるように
振幅制御回路１４において振幅制御信号Ｖｍが調整され
る。このときの振幅制御回路１４としては一般的な比例
積分回路にて実現できる。次に、振幅制御信号Ｖｍは、
測定容量１を駆動するために交流信号に変換する必要が
あるため、予め交流信号発振回路１６にて交流信号Ｖｏ
ｓｃをつくり、交流変換回路１５において、交流信号Ｖ
ｏｓｃにより振幅制御信号Ｖｍを振幅変調することで交
流駆動信号Ｖａｃを発生させている。このときの交流信
号発振回路１６としてはさほど正確さを必要としないの
でＣＲ発振回路で十分であり、また交流変換回路１５は
乗算器が使用できる。

【００２７】ここで、計測出力としては測定容量１の電
位差に相当する交流駆動信号Ｖａｃとなるが、一般に計
測出力は直流信号であることから、本実施の形態では交
流駆動信号Ｖａｃに比例している振幅制御信号Ｖｍを計
測信号として出力している。また、計測出力レベルは振
幅指示電圧Ｖｓにて調整することが出来る。なお、図２
中のガードリング電流Ｉｇはガードリング効果を発生さ
せるためだけに使用され、計測には無関係である。

【００２８】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態を示す図である。この第２の実施の形態
では値の異なる基準容量１０ａ，１０ｂ，１０ｃの一端
を演算増幅器９の反転入力に接続し他端はロータリース
イッチ２０に接続され、ロータリースイッチ２０を切り
換えることにより基準容量を選択できるようにしたもの
である。これにより前記式５に示すように検出電圧Ｖｄ
の感度を変更できるので、測定容量Ｃｄの値が測定範囲
や、使用するセンサ電極面積によって大きく変化すると
き、回路を変更する事無く適用できる。なお、この構成
は、他の例えば制御回路における増幅によって感度調整
する方法に比べノイズレベルを増加させないで済むとい
う長所がある。

【００２９】（第３の実施の形態）図４は、本発明の第
３の実施の形態を示す図である。この実施の形態では図
３同様、値の異なる基準容量をリレースイッチ２１によ
り、いずれか一つまたは複数のスイッチをＯＮすること
により、少ない基準容量で細かい感度調整が行える。こ
の構成はコンピュータやシーケンサなどの計測制御装置
２２を用いて、リレースイッチ２１のＯＮ、ＯＦＦ制御
を行うことで測定範囲の自動切り換えができ、これによ
り測定範囲の拡大や、製造ラインのように計測対象物に
よって測定範囲が大きく変化するような用途にも対応で
きる。

【００３０】（第４の実施の形態）図５は、本発明の第
４の実施の形態を示す図である。この第４の実施の形態
では基準容量として一つの固定コンデンサ３１を用い、
固定コンデンサ３１に乗算器３０を並列接続している。
このとき乗算器３０は出力を演算増幅器９の反転入力
に、また一方の入力を演算増幅器９の出力に接続され、
他方の入力に容量可変制御電圧Ｖｃｘが入力されるよう
に接続されている。このように乗算器３０を接続した事
による可変基準容量部の等価容量Ｃｘは式８で表され
る。

【００３１】

【数８】

【００３２】従って、容量可変制御電圧Ｖｃｘを０〜１
０Ｖまで変化させると等価容量ＣｘをＣｏ〜０まで正確
に可変できる。容量可変制御電圧Ｖｃｘは、フローティ
ングしている検出回路１００に信号を伝達するために絶
縁増幅器３２を介して、乗算器３０に印加している。こ
れにより検出回路１００の利得を次の式９が示すように
変化増大する事ができる。

【００３３】

【数９】

【００３４】このように検出回路１００の利得が可変で
きるため、外部の情報から、離散的にはもちろんの事、
連続的にも測定範囲の拡大や、感度の変更を可能として
いる。本実施の形態では、計測出力信号Ｖｍから測定範
囲切り換え制御回路３３により容量可変制御電圧Ｖｃｘ
を生成し、測定範囲の切り換えを行うように構成してい
る。なお、この時の留意点としては、容量可変制御電圧
Ｖｃｘの切り換えには適度のヒステリシスを持たせる事
である。

【００３５】（第５の実施の形態）図６は、第５の実施
の形態の動作を説明する等価回路図で、図７はその特性
グラフである。また、図８は第５の実施の形態を示す回
路ブロック図である。

【００３６】一般に同軸シールド線には中心導体７ａと
外部導体７ｂの間に１００ｐＦ／ｍのケーブル容量があ
る。これらは図２で説明した通り、導体電位を同電位に
することにより等価的に減少するが、全くの同電位にす
ることは出来ないため、零には出来ず、特にシールド線
を長く伸ばした場合その残留容量がケーブル容量４０と
して無視できなくなり、この結果、外部導体７ｂと大地
アース間に分布する容量４１を介し容量結合するため
に、通常はセンサ電極５と計測対象４の間の測定容量Ｃ
ｄとその間隔の関係は図７のであるが、ケーブル容量
４０が大きくなると大地アース間分布容量４１と並列合
成となるためセンサ電極５から見た等価測定容量Ｃｄ′
は図７ののように測定容量Ｃｄが小さくなる領域で余
分な容量が上乗せされたようになる。従って、計測出力
では本来の電極間隔ｄとの関係である図７のの直線性
が失われ、の様になる。しかも、シールド線７の引き
回し方により大地アース間分布容量４１が変化してしま
うためリニアライザ回路による補償は困難である。図８
に示す実施の形態では２重シールド線４３を用い、外部
導体４３ｃを回路アースに接続することで大地アース間
分布容量４１を無くし、引き回し方によるケーブル容量
の変化も低減させている。更に、交流駆動信号Ｖａｃの
経路に電流検出回路４５を設け、交流駆動信号Ｖａｃの
駆動電流Ｉａｃを検出し、これと振幅制御電圧Ｖｍ′の
差が２重シールド線４３の内部導体４３ｂと外部導体４
３ｃの間に分布するケーブル容量に相当するため駆動電
流Ｉａｃと振幅制御電圧Ｖｍ′の差と、振幅制御電圧Ｖ
ｍ′との補正特性（図７の）の関係を実験的に求めそ
のデータをシールド線校正データマップ回路４６に例え
ばＲＯＭのような記憶素子を用いて記録しておき、逐次
入力される駆動電流Ｉａｃと振幅制御電圧Ｖｍ′から補
正データを読みだし、シールド線長補償回路４７にて振
幅制御電圧Ｖｍ′の非直線性を補正している。

【００３７】また、本実施の形態では計測対象からのセ
ンサ電流Ｉｓおよびガードリング電流Ｉｇの電流を電線
４２によりシールド電極４４に接続し、外部導体４３ｃ
を介し回路アースに帰還させることにより、より高い遮
蔽効果と、複数のセンサとシールド線を束ねて使用した
場合の相互干渉を防止できる。

【００３８】（第６の実施の形態）図９は、第６の実施
の形態を示す回路ブロック図である。前述の実施の形態
においては基準容量Ｃｒにより検出感度を調整していた
が、実際の用途では任意の計測範囲を例えば０〜１０Ｖ
の電圧変化として得たい場合がある。この場合に本実施
の形態では交流信号である検出信号Ｖｄを可変利得増幅
器５０により、希望する最大計測範囲において、交流駆
動信号Ｖａｃの振幅が例えば最大値１０Ｖになるように
調整することで制御回路の特性を悪化させる事無く、最
適精度が得られる。

【００３９】なお、以上の実施の形態はアナログ処理回
路で説明してきたが、検出信号回路１００以外はアナロ
グ・デジタル変換素子と論理素子やマイクロコンピュー
タに置き換えて実現できる事は言うまでもない。

【００４０】上記した本発明の静電容量式変位計によれ
ば、検出回路の浮遊容量をほとんど排除し、測定容量を
定電流駆動させることにより、たとえ測定容量が１ｐＦ
以下の微小容量であっても、また１０ｍｍ以上の広い計
測範囲においても、高精度かつ高安定に計測することが
出来る。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の静電容量式変位計は、検出回路をフローティング構造
にして、検出回路ごとに交流信号で駆動することで測定
容量を定電流駆動させたことにより、測定容量が１ｐＦ
以下の微小容量であっても直線性を保ち、また基準容量
の切り換え手段により計測範囲の拡大が図れ、２重シー
ルド線と交流駆動信号の電流測定による補償手段と、検
出信号の増幅手段により高精度かつ高安定に計測するこ
とが出来るという効果を有する。

【００４２】また、本発明によれば、計測精度向上の他
にセンサ電極面積やシールド線の長さの制約が少なくな
った事による用途への適合性向上と、更にはセンサ電極
面積を小さくすることにより計測対象面の空間分解能を
高く出来るため、間隔計測や、変位・振動計測の他に、
表面形状計測にも応用できるなど変位計の適用範囲を拡
大できるという効果を合わせ持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の計測原理を説明する図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の回路ブロック図で
ある。

【図３】本発明の第２の実施の形態の回路図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態の回路図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態の回路ブロック図で
ある。

【図６】本発明の第５の実施の形態の動作を説明する等
価回路図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態の動作を説明する特
性グラフである。

【図８】本発明の第５の実施の形態の回路ブロック図で
ある。

【図９】本発明の第６の実施の形態の回路ブロック図で
ある。

【符号の説明】

１ 測定容量 ２ 電極Ａ ３ 電極Ｂ ４ 計測対象 ５ センサ電極 ６ ガードリング電極 ７ シールド線 ７ａ 中心導体 ７ｂ 外部導体 ８ シールドケース ９ 演算増幅器 １０ 基準容量 １０ａ 基準容量１ １０ｂ 基準容量２ １０ｃ 基準容量３ １１ トランス １２ 整流回路 １３ 振幅設定回路 １４ 振幅制御回路 １５ 交流変換回路 １６ 交流信号発振回路 ２０ ロータリースイッチ ２１ リレースイッチ ２２ 計測制御装置 ３０ 乗算器 ３１ 固定コンデンサ ３２ 絶縁増幅器 ３３ 測定範囲切り換え制御回路 ４０ シールド線のケーブル容量 ４１ シールド線と大地アース間の分布容量 ４２ 計測対象とセンサシールド電極を接続する電線 ４３ ２重シールド線 ４３ａ ２重シールド線の中心導体 ４３ｂ ２重シールド線の内部導体 ４３ｃ ２重シールド線の外部導体 ４４ センサシールド電極 ４５ 電流検出回路 ４６ シールド線校正データマップ回路 ４７ シールド線長補償回路 ５０ 可変利得増幅器 １００ 検出回路 ｄ 計測変位 Ｃ 測定容量 Ｓ 電極面積 εａ 空気の誘電率 ω 交流信号の角周波数 Ｓａｃ 交流信号 Ｃｄ 測定容量 Ｃｒ 基準容量 Ｃｏ 固定コンデンサの容量 Ｃｘ 可変基準容量回路の等価容量 Ｃｉ シールド線のケーブル容量 Ｃｓ シールド線と大地アース間の分布容量 Ｉ 電極間に流れる電流 Ｉａｃ 交流駆動信号の電流 Ｉｓ センサ電極に流れる電流 Ｉｇ ガードリング電極に流れる電流 Ｖ 電極間の電位差 Ｖｄ 検出電圧 Ｖｄｘ 直流化検出信号 Ｖｓ 振幅指示電圧 Ｖｍ 振幅制御信号および計測出力信号 Ｖｏｓｃ 交流発振信号 Ｖａｃ 交流駆動信号 Ｖｃｘ 容量可変制御電圧

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向電極間に形成される静電容量を利用
   して、その電極間の間隔変化を測定する静電容量式変位
   計において、 計測対象に対向して設定したガードリング付きセンサ電
   極を、シールド線の中心導体を介し演算増幅器の反転入
   力に接続し、演算増幅器の出力と前記入力間に基準容量
   を接続し、前記演算増幅器と基準容量を静電遮蔽するシ
   ールドケースで被い、前記演算増幅器の非反転入力をシ
   ールドケースに接続し、他端をガードリング電極に接続
   したシールド線の外部導体をシールドケースに接続して
   検出回路を構成し、該検出回路をシールドケースごと回
   路アースに対しフローティング構造にして、交流信号で
   駆動し、前記演算増幅器の出力と前記交流信号の差電圧
   が一定となるように前記交流信号の振幅を制御して、測
   定容量を定電流駆動することを特徴とする静電容量式変
   位計。
2. 【請求項２】 請求項１の静電容量式変位計において、
   シールドケース内に複数の基準容量と、複数の基準容量
   を切り換える切り換え手段を内蔵させ、計測範囲または
   使用するセンサ電極の電極面積に応じて切り換えること
   を特徴とする静電容量式変位計。
3. 【請求項３】 請求項１の静電容量式変位計において、
   基準容量に電圧制御型容量可変手段を設け、外部からの
   信号または交流駆動信号の振幅値により、基準容量の値
   を離散的または連続的に変化させる事で計測範囲を拡大
   したことを特徴とする静電容量式変位計。
4. 【請求項４】 請求項１の静電容量式変位計において、
   シールド線に２重シールド線を用い、中心導体はセンサ
   電極と演算増幅器の反転入力に接続し、内部導体はガー
   ドリング電極とシールドケースに接続し、外部導体はガ
   ードリング電極の外周に設けたシールド導体と回路アー
   スに接続し、また計測対象からの帰還電流が２重シール
   ド線の外部導体に流れるように前記シールド導体と計測
   対象を電気的に接続させて検出回路を構成し、更に交流
   駆動信号の電流を測定してシールド線の長さを求める事
   により、シールド線の長さに起因する計測誤差を補償し
   たことを特徴とする静電容量式変位計。
5. 【請求項５】 請求項１の静電容量式変位計において、
   検出回路からの検出信号を離散的または連続的に増幅す
   る信号増幅手段を備え、計測対象とセンサ電極の間隔が
   最大間隔にあるときに交流駆動信号の振幅値が最大にな
   るように調整することにより、任意の計測範囲において
   も最適精度が得られるようにしたことを特徴とする静電
   容量式変位計。