JPH10332312A - 非接触センサ及び静電容量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出可能範囲を有効に利用するための設定が
容易に行え、オフセットなどの調整を必要としない非接
触センサの実現。 【解決手段】 所定の検出範囲を有する非接触センサで
あって、検出信号が所定の検出範囲の一方の端の状態で
あることを検出する限界検出手段４２と、限界検出手段
４２が検出信号が所定の検出範囲の一方の端の状態であ
ることを検出したことを示す表示手段Ｑを備え、所定の
検出範囲の一方の端の状態の時に、当該非接触センサの
出力がゼロになるように調整されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量センサや
渦電流センサなどの非接触センサ、及び代表的な非接触
センサである静電容量センサに関し、特に変位に比例す
る検出信号を出力するリニア検出範囲を有効に使用する
ことが容易に行える非接触センサ、及び異常発振や火花
の発生などが生じない静電容量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】金属物体の表面位置などを測定するため
に静電容量センサや渦電流センサなどが使用されてい
る。アクティブプローブを使用する静電容量センサや渦
電流センサでは、検出信号がセンサの先端表面から物体
の表面位置までの距離に反比例することが知られてい
る。そのため、センサ出力の逆数を算出するなどの処理
を行って距離を示す検出信号を得ている。このような場
合、検出信号が距離に比例すると見なせるリニア範囲が
制限される。これに限らず、一般の非接触センサでは、
リニア範囲が制限されるのが普通である。本発明の第１
の態様は、リニア範囲が制限される非接触センサであれ
ばどのようなものにでも適用可能であるが、本発明の第
２の態様は静電容量センサに関係するので、ここでは静
電容量センサを例として説明を行う。

【０００３】静電容量センサには、パッシブプローブ
（Passive Probe)型とアクティブプローブ(Active Prob
e)型の２種類がある。パッシブプローブ型は、電気回路
がプローブから離れた基板上にあり、電気回路とプロー
ブはケーブルで結ばれる。電気回路からはプローブに交
流信号が印加され、そこで生じた電圧が電気回路で検出
される。パッシブプローブ型では、検出信号は電圧とし
て得られ、電圧は測定値であるターゲットの表面とプロ
ーブの表面との距離に比例して変化する。これに対し
て、アクティブプローブ型は、電気回路の一部がプロー
ブ内に組み込まれて一体となっており、他の電気回路の
部分は基板に設けられ、それらの間はケーブルで結ばれ
る。アクティブプローブ型では、検出信号は電流として
得られ、この電流は測定値であるターゲットの表面とプ
ローブの表面との距離に反比例して変化する。

【０００４】図１は、アクティブプローブ型の静電容量
センサの基本構成と信号を示す図である。図１の（１）
に示すように、アクティブプローブ型のプローブは、測
定電極１と、その周囲に設けられたガード電極２と更に
その周囲に設けられた外周シールド３とを有し、それら
の間には絶縁材５が設けられている。プローブには、更
に測定電極１に一定の交流電圧を印加する交流信号源７
が設けられている。パッシブプローブプローブ型の静電
容量センサのプローブも同様の構造であり、交流信号源
７が設けられていない点が異なるだけである。従来の静
電容量センサのプローブのターゲット１００に向き合う
測定面は、図示のように鏡面状の平面に作られていた。
図１の（２）は、アクティブプローブ型のプローブの等
価回路とプローブ１０から出力される検出信号を示す図
である。測定電極１は対向する金属物体（ターゲット）
の表面１００との間で容量素子を形成し、その容量は測
定電極１の先端表面とターゲットの表面１００との間の
距離ｄに反比例して変化する。交流信号源７から測定電
極１に印加される交流電圧に応じて、プローブ１０から
は図示のような交流電流ｉが出力される。交流電流ｉの
電流値は容量素子の容量に比例するので、距離ｄに反比
例することになる。アクティブプローブ型の静電容量セ
ンサでは、この交流電流ｉの電流を電流検出回路８で検
出する。実際には、交流電流ｉを直流信号に変換してそ
の電圧Ｖｆｅを検出することにより検出するが、電圧Ｖ
ｆｅも距離ｄに反比例することになる。

【０００５】センサの出力する検出信号は測定値に比例
していることが望ましい。比例していれば、検出信号を
そのままメータなどに印加して測定値を指示することが
可能であるが、比例していない場合には作業者がメータ
値を換算して測定値を算出する必要があり、非常に煩雑
である。そのため、検出信号が測定値に比例していない
場合には、検出信号が測定値に比例するように変換する
リニアライズ回路が使用される。リニアリズ回路として
は、例えば、検出信号をアナログ／ディジタル（Ａ／
Ｄ）変換回路でディジタル信号値に変換した後、あらか
じめ測定してある変換式を記憶したルックアップテーブ
ル（ＬＵＴ）で補正値を算出するディジタル処理による
回路がある。しかし、ディジタル処理を行うには、上記
のようにＡ／Ｄ変換回路が必要であり、分解能の高いビ
ット数の多いＡ／Ｄ変換器は高価であるので、コストが
高いという問題があった。そこで、簡単なアナログ処理
でリニアライズ回路を実現することが行われている。

【０００６】アナログ処理でリニアライズ回路を実現す
る手法としては、ブレークポイント方式とマルチプライ
ヤ方式が知られている。図２は、マルチプライヤ方式の
説明図である。図２の（１）に示すように、マルチプラ
イヤ方式では、センサ１０からの信号を交流−直流変換
回路（積分回路）１３で直流信号に変換した後アンプ１
４で増幅し、更に演算回路１５で所定の値をアンプ１４
の出力で除算する。これにより、電流ｉに比例する電圧
の逆数の検出信号Ｖｏｕｔが得られる。前述のように、
電流ｉは距離ｄに反比例するので、検出信号Ｖｏｕｔは
距離ｄに比例する。しかし、図２の（１）に示したマル
チプライヤ方式のリニアライズ回路では、実際に距離ｄ
と信号Ｖｏｕｔが比例すると見なせる範囲は、図２の
（２）に示すように限定され、ｄが所定値以上又は所定
値以下の範囲では比例しなくなる。また、アクティブプ
ローブ型の静電容量センサでは、ターゲットとの距離ｄ
が非常に小さくなると、プローブで異常発振が生じやす
くなる。そのため、アクティブプローブ型の静電容量セ
ンサでは、リニア範囲の下限の時に出力がゼロになるよ
うに増幅回路のオフセットなどを設定し、通常このリニ
ア範囲を検出可能範囲としている。一般にこのような正
確な検出ができる検出可能範囲はどのようなセンサにも
存在する。また、アクティブプローブ型の静電容量セン
サでは、プローブの測定面がターゲットに非常に近づい
た状態では異常発振を起すので、この点からも検出可能
範囲が制限される。

【０００７】一方、パッシブプローブ型の静電容量セン
サにおいては、出力と距離が比例するため、演算回路は
必要なく、プローブの測定面がターゲットに接触した状
態がゼロ点といえる。しかし、測定面がターゲットに接
触する直前の電極とターゲットの間の距離が非常に小さ
くなった状態では、同様に異常発振が起り、本当の距離
（ギャップ）ゼロは計測できない。

【０００８】アクティブプローブ型の静電容量センサに
限らずパッシブプローブ型の静電容量センサにおいて
も、検出可能範囲は検出ヘッドの大きさに直径に関係す
る。例えば、直径が１０ｍｍの静電容量センサの検出可
能範囲は１ｍｍ程度であるが、直径が０．５ｍｍの静電
容量センサの検出可能範囲は２０μｍ程度になる。変位
を検出する部分の関係で、センサの直径をあまり大きく
できない場合がある。そのような場合には、小さな検出
可能範囲をいかに有効に利用するかが大きな問題にな
る。これは、静電容量センサに限らず、通常のセンサす
べてに当てはまることである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、静電容
量センサや渦電流センサなどの非接触センサ１０は、工
場において、非接触センサ１０の先端とターゲット１０
０の距離が所定値の時にリニア範囲の下限になるように
設定されており、この状態をゼロ点と称していた。この
ように設定された非接触センサ１０を使用する場合、図
３に示すように、ターゲット１００に対して独立に保持
される取り付け部材２１に非接触センサ１０を取り付け
て、ターゲット１００が非接触センサ１０の測定面に対
して所定の距離になるように、目視で取り付け部材２１
を調整してゼロ点の位置に設定していた。しかし、目視
でゼロ点を設定しているため、ユーザが設定したゼロ点
が工場出荷時に設定されたゼロ点とかならずしも一致し
ないという事態が生じていた。ユーザが設定したゼロ点
が工場出荷時に設定されたゼロ点より小さい値、すなわ
ち非接触センサ１０の先端とターゲット１００の距離が
所定値より小さい状態がゼロ点に設定されると、リニア
範囲外になるため、正確な検出結果が得られないという
問題が生じる。また、ユーザが設定したゼロ点が工場出
荷時に設定されたゼロ点より大きい値、すなわち非接触
センサ１０の先端とターゲット１００の距離が所定値よ
り大きい状態がゼロ点に設定されると、その分検出可能
範囲が狭くなるという問題が生じる。また、一般に、ユ
ーザは自身が設定した状態がゼロ点として検出信号が得
られることが望ましいため、このような場合には、図２
の（１）の回路において、設定した状態で検出信号がゼ
ロになるようにアンプ１４のオフセットを調整してい
た。そのため、工場出荷時の回路のゼロ点が移動し、検
出可能範囲が狭くなっていた。このように、従来は非接
触センサの検出可能範囲を十分有効に利用していない状
況がしばしば生じていた。特に、直径の小さなプローブ
を使用する必要がある場合には、狭い検出可能範囲がよ
り一層狭くなり、十分な検出が行えないという問題が生
じていた。

【００１０】また、図１の（１）に示すように、従来の
静電容量センサのプローブのターゲット１００に向き合
う測定面は、鏡面状の平面に作られていた。そのため、
測定面がターゲット１００に非常に近接したり接触する
状態が生じると、異常発振や、ターゲットが導体の場合
には電極のショートによる火花の発生が起こっていた。

【００１１】本発明はこのような問題を解決するための
もので、第１の目的は検出可能範囲を有効に利用できる
非接触センサを実現することであり、第２の目的は異常
発振や火花が発生しない静電容量センサを実現すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を実現す
るため、本発明の第１の態様の非接触センサは、測定面
とターゲットとの距離が、ゼロ点を設定した状態である
ことを示す表示手段を設け、ユーザが容易にゼロ点を設
定した状態を認識して取り付け設定が行えるようにす
る。

【００１３】すなわち、本発明の第１の態様の非接触セ
ンサは、所定の検出範囲を有する非接触センサであっ
て、検出信号が前記所定の検出範囲の一方の端の状態で
あることを検出する限界検出手段と、限界検出手段が検
出信号が所定の検出範囲の一方の端の状態であることを
検出したことを示す表示手段を備え、所定の検出範囲の
一方の端の状態の時に、当該非接触センサの出力がゼロ
になるように調整されていることを特徴とする。

【００１４】上記第２の目的を実現するため、本発明の
第２の態様の静電容量センサは、リニア性を損なわない
範囲内で、測定面の測定電極及びガード電極が絶対にタ
ーゲットに接触しないように、測定面の形状を変える。
実際には、外周シールドが測定電極とガード電極より突
き出すようにするか、絶縁材が突き出るようにする。こ
こで、第１の態様と第２の態様を合わせて、静電容量セ
ンサにおいて、プローブを測定電極及びガード電極が絶
対にターゲットに接触しない形状とし、その上でリニア
範囲の下限で出力がゼロになるように設定し、その状態
であることを示す表示手段を設けるようにしてもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】図４は本発明の第１実施例のパッ
シブプローブ型の静電容量センサの構成と出力特性を示
す図であり、（１）は構成を、（２）は特性を示す。図
４の（１）に示すように、プローブ１０は、図１の
（１）に示したのと同様に、測定電極１と、ガード電極
２と、外周シールド３と、それらの間に設けられた絶縁
材５で構成されている。各電極はケーブル９で励振アン
プ３１と検出アンプ３２に接続されており、検出アンプ
３２から出力Ｖｏｕｔが得られる。以上の構成は従来の
パッシブプローブ型の静電容量センサと同じである。

【００１６】この実施例では、抵抗４４から４７により
発生された参照電圧と出力Ｖｏｕｔを比較するコンパレ
ータ４１から４３が設けられており、各コンパレータの
出力がオンになると、表示用の発光ダイオードＰからＲ
が点灯する。このパッシブプローブ型の静電容量センサ
の出力特性は図４の（２）に示すようになっており、検
出アンプ３２のオフセットが図示の位置に調整されてお
り、出力Ｖｏｕｔはｂで示す状態でゼロになる。抵抗４
４から４７の抵抗値は、Ｖｏｕｔがａ、ｂ、ｃで示した
値になった時にコンパレータ４１から４３がそれぞれオ
ンになるように設定されている。従って、このパッシブ
プローブ型の静電容量センサを使用する場合には、ター
ゲット１００がもっとも近づいた状態で、発光ダイオー
ドＱがオンするように取り付け部材２１の位置を調整す
れば、ゼロ点の状態になる。この状態に設定すれば、検
出アンプ３２のオフセットなどを調整する必要はない。

【００１７】なお、ここではパッシブプローブ型の静電
容量センサを例として説明したが、アクティブプローブ
型の静電容量センサの場合も同様であり、アクティブプ
ローブ型の静電容量センサでは図２の（２）に示したよ
うに、ターゲット１００との距離がゼロに近くなる部分
では出力Ｖｏｕｔのリニア性が低下するために、ｂで示
した位置がゼロになるように設定しており、特に効果的
である。

【００１８】図５は、本発明の第２実施例のパッシブプ
ローブ型の静電容量センサのプローブの構造の例を示す
図である。図５の（１）は、測定面において、外周シー
ルド３を、測定電極１、ガード電極２、及び絶縁材５の
端面より突き出させている。また、図５の（２）は、測
定面において、絶縁材５を、測定電極１、ガード電極
２、及び外周シールド３の端面より突き出させている。
更に、図５の（３）は、測定面の周辺部が中心部より突
き出るようにしている。更に、図５の（４）は、測定電
極１、ガード電極２、外周シールド３及び絶縁材５の端
面は鏡面であるが、表面に絶縁膜８７がコートされてい
る。プローブを図５の（１）から（４）に示すような構
造とすれば、測定電極１及びガード電極２がターゲット
に接触したり非常に近接することがなくなる。従って、
パッシブプローブ型の静電容量センサにおいては火花は
発生することがなくなる。また、アクティブプローブ型
の静電容量センサのプローブを図５に示す構造とすれ
ば、異常発振が生じなくなる。

【００１９】なお、第１実施例において、プローブを図
５に示すような構造とすることもできる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出可能範囲を有効に利用するための設定が容易に行
え、オフセットなどの調整を必要としない非接触センサ
が実現され、更に、異常発振や火花が発生しない静電容
量センサが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】静電容量センサの構成と検出信号を説明する図
である。

【図２】アクティブプローブ型の静電容量センサにおい
て、検出信号を測定値に比例させるマルチプライヤ方式
の補正を説明する図である。

【図３】静電容量センサの取り付けを示す図である。

【図４】本発明の第１実施例の静電容量センサの構成と
出力特性を示す図である。

【図５】本発明の第２実施例の静電容量センサのプロー
ブの構造を示す図である。

【符号の説明】

１…測定電極 ２…ガード電極 ３…外周シールド ５…絶縁材 １０…静電容量センサ ２１…取り付け部材 ３１…励振アンプ ３２…検出アンプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の検出範囲を有する非接触センサで
   あって、 検出信号が前記所定の検出範囲の一方の端の状態である
   ことを検出する限界検出手段（４２）と、 該限界検出手段（４２）が検出信号が前記所定の検出範
   囲の一方の端の状態であることを検出したことを示す表
   示手段（Ｑ）を備え、前記所定の検出範囲の一方の端の
   状態の時に、当該非接触センサの出力がゼロになるよう
   に調整されていることを特徴とする非接触センサ。
2. 【請求項２】 測定電極（５１）と、ガード電極（５
   ２）と、外周シールド電極（５３）と、及び前記測定電
   極（５１）と前記ガード電極（５２）と前記外周シール
   ド電極（５３）の間に設けられた絶縁材（５５）とを有
   するプローブ（１０）を備える静電容量センサであって
   測定面側においては、前記外周シールド電極（５３）の
   先端は、前記測定電極（５１）と前記ガード電極（５
   ２）と前記絶縁材（５５）の先端より突き出ていること
   を特徴とする静電容量センサ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の静電容量センサであっ
   て、 測定面側においては、前記測定電極（５１）がもっとも
   凹んでいる静電容量センサ。
4. 【請求項４】 測定電極（６１）と、ガード電極（６
   ２）と、外周シールド電極（６３）と、及び前記測定電
   極（６１）と前記ガード電極（６２）と前記外周シール
   ド電極（６３）の間に設けられた絶縁材（６５）とを有
   するプローブ（１０）を備える静電容量センサであって
   測定面側においては、前記絶縁材（６５）の先端は、前
   記測定電極（６１）と前記ガード電極（６２）と前記外
   周シールド電極（６３）の先端より突き出ていることを
   特徴とする静電容量センサ。
5. 【請求項５】 測定電極（８１）と、ガード電極（８
   ２）と、外周シールド電極（８３）と、及び前記測定電
   極（８１）と前記ガード電極（８２）と前記外周シール
   ド電極（８３）の間に設けられた絶縁材（８５）とを有
   するプローブ（１０）を備える静電容量センサであって
   測定面側においては、前記測定電極（８１）と前記ガー
   ド電極（８２）と前記外周シールド電極（８３）と前記
   絶縁材（８５）の端を覆う薄い絶縁膜（８７）を備える
   ことを特徴とする静電容量センサ。