JPH11230704A - 静電容量型変位センサ - Google Patents

静電容量型変位センサ

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JPH11230704A
JPH11230704A JP10029751A JP2975198A JPH11230704A JP H11230704 A JPH11230704 A JP H11230704A JP 10029751 A JP10029751 A JP 10029751A JP 2975198 A JP2975198 A JP 2975198A JP H11230704 A JPH11230704 A JP H11230704A
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JP
Japan
Prior art keywords
measured
displacement sensor
measurement
electrode
measuring electrode
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Application number
JP10029751A
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English (en)
Inventor
Keizo Matsuo
圭造 松尾
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、静電容量の変化により変位を測定
する静電容量型変位センサに関し、被測定物の一方向へ
の変位量の測定精度を従来より大幅に向上することを目
的とする。 【解決手段】 センサ本体の検出部に、第1の測定電極
と第2の測定電極とを間隔を置いて配置してなることを
特徴とする。また、前記第1の測定電極および第2の測
定電極を、被測定物の回転中心に向けて配置してなるこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量の変化に
より変位を測定する静電容量型変位センサに関する。
【0002】
【従来の技術】近時、例えば、超精密分野においては、
ナノメートルオーダの測定精度を得るために、静電容量
の変化により変位を測定する静電容量型変位センサが多
用されている。図7は、このような静電容量型変位セン
サの測定原理を示すもので、この静電容量型変位センサ
では、静電容量をC,誘導エリア1の誘電率をK,検出
部2と被測定物3との間の測定ギャップをD,測定電極
4の面積をAとすると、次式が成立する。
【0003】C=K(A/D)・・・(1) すなわち、検出部2と被測定物3との間で生じる電気的
静電容量は、2点間の距離に反比例することになる。そ
して、変位量を静電容量の変化としてとらえ、この静電
容量を電圧に変換することにより、変位の測定が可能に
なる。
【0004】図8は、このような静電容量型変位センサ
5を使用して、円柱状の回転体からなる被測定物6の外
周の真円度を測定している状態を示している。この測定
では、被測定物6の中心を通るX軸上に、センサ本体7
の検出部8の測定電極9が位置され、ベアリング10に
支持される被測定物6のX軸方向の変位を測定すること
により被測定物6の外周の真円度が求められる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな測定では、図9に示すように、被測定物6の回転に
伴い、被測定物6の中心OがY軸方向に変位することが
あり、このような場合には、被測定物6のY軸方向への
変位量が、検出部8と被測定物6との間に生じる電気的
静電容量に影響し、被測定物6のX軸方向への変位を正
確に測定することが困難になるという問題があった。
【0006】本発明は、かかる従来の問題を解決するた
めになされたもので、被測定物の一方向への変位量の測
定精度を従来より大幅に向上することができる静電容量
型変位センサを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1の静電容量型変
位センサは、センサ本体の検出部に、第1の測定電極と
第2の測定電極とを間隔を置いて配置してなることを特
徴とする。
【0008】請求項2の静電容量型変位センサは、請求
項1記載の静電容量型変位センサにおいて、前記第1の
測定電極および第2の測定電極を、被測定物の回転中心
に向けて配置してなることを特徴とする。請求項3の静
電容量型変位センサは、請求項2記載の静電容量型変位
センサにおいて、前記検出部を、前記被測定物の回転中
心に対して同心状の円弧形状にしてなることを特徴とす
る。
【0009】(作用)請求項1の静電容量型変位センサ
では、センサ本体の検出部に、第1の測定電極と第2の
測定電極とが間隔を置いて配置される。そして、この静
電容量型変位センサにより、例えば、外周が円形状の回
転体からなる被測定物の外周と検出部との間の変位が測
定される。
【0010】そして、この測定において、被測定物が検
出部に対して平行に移動した場合には、間隔を置いて配
置される第1の測定電極と第2の測定電極とにより、静
電容量の変化が相殺される。請求項2の静電容量型変位
センサでは、第1の測定電極および第2の測定電極が、
被測定物の回転中心に向けて配置される。従って、例え
ば、外周が円形状の被測定物が検出部に対して平行に移
動した場合には、この移動による第1の測定電極と被測
定物との間のギャップの変化値と、第2の測定電極と被
測定物との間のギャップの変化値との差が最小になる。
【0011】請求項3の静電容量型変位センサでは、検
出部が、被測定物の回転中心に対して同心状の円弧形状
にされる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて詳細に説明する。
【0013】図1および図2は、本発明の静電容量型変
位センサの一実施形態を示している。この静電容量型変
位センサ11は、断面円形状のセンサ本体13を有して
いる。センサ本体13の一端には、検出部15が形成さ
れ、他端側からは、リード線17が導出されている。セ
ンサ本体13の検出部15には、第1の測定電極19と
第2の測定電極21とが、間隔を置いて配置され、これ
により第1のセンサ部23と第2のセンサ部25が形成
されている。
【0014】そして、この実施形態では、第1の測定電
極19および第2の測定電極21が、被測定物27の回
転中心Oに向けて配置されている。また、検出部15
が、被測定物27の回転中心Oに対して同心状の円弧形
状にされている。この実施形態では、図1に示したよう
に、円柱状の回転体からなる被測定物27の外周の真円
度が測定される。
【0015】そして、この測定では、被測定物27の回
転中心Oを通るX軸上に、センサ本体13の検出部15
の第1の測定電極19と第2の測定電極21との中間部
が位置され、ベアリング29に支持される被測定物27
のX軸方向の変位を測定することにより被測定物27の
外周の真円度が求められる。以上のように構成された静
電容量型変位センサでは、センサ本体13の検出部15
に、第1の測定電極19と第2の測定電極21とを間隔
を置いて配置したので、例えば、図3に示すように、被
測定物27が検出部15に対して平行に移動した場合に
も、被測定物27のX軸方向への変位量を高い精度で求
めることができる。
【0016】すなわち、図4に示すように、第1のセン
サ部23の静電容量をC1,第1の測定電極19と被測
定物27との間の測定ギャップをD1,測定電極の面積
をA1とする。また、第2のセンサ部25の静電容量を
C2,第2の測定電極21と被測定物27との間の測定
ギャップをD2,測定電極の面積をA2とする。
【0017】さらに、誘導エリアの誘電率をK,測定シ
ステム全体の静電容量をCとする。このような条件の基
では、第1のセンサ部23および第2のセンサ部25で
検出される静電容量C1およびC2は、上述した(1)式
を用いて、 C=C1+C2=K(A1/D1)+K(A2/D2) となる。
【0018】ここで、A1=A2=Aとすると、 C=KA{(1/D1)+(1/D2)}=KA(D1+D
2)/D1・D2 ここで、図4に矢符Eで示すように、被測定物27が横
方向に移動した時の測定システム全体の静電容量をC’
とすると、 C’=KA{(D1+ΔD1)+(D2−ΔD2)}/(D
1+ΔD1)・(D2−ΔD2)=KA{(D1+D2)+
(ΔD1−ΔD2)}/{D1・D2−D1ΔD2+D2ΔD
1)−ΔD1・ΔD2)} ここで、D1=D2とすると、ΔD1≒ΔD2であり、ま
た、微小な変位であれば、ΔD1・ΔD2≒0であるか
ら、 C’=KA(D1+D2)/D1・D2 となる。
【0019】従って、被測定物27の移動前後における
測定システム全体の静電容量の変化をΔCとすると、Δ
C=C’−C≒0となる。すなわち、上述した静電容量
型変位センサでは、センサ本体13の検出部15に、第
1の測定電極19と第2の測定電極21とを間隔を置い
て配置したので、被測定物27が移動した場合には、間
隔を置いて配置される第1の測定電極19と第2の測定
電極21とにより、静電容量の変化が相殺されることに
なり、これにより、被測定物27のX軸方向への変位量
の測定精度を従来より大幅に向上することができる。
【0020】また、上述した静電容量型変位センサで
は、第1の測定電極19および第2の測定電極21を、
被測定物27の回転中心Oに向けて配置したので、間隔
を置いて配置される第1の測定電極19と第2の測定電
極21とにより、静電容量の変化をより確実に相殺する
ことができる。すなわち、図5に示すように、被測定物
27が横方向に移動した場合には、第1の測定電極19
および第2の測定電極21を、被測定物27の回転中心
Oに向けて配置しない時には、第1の測定電極19と被
測定物27との間のギャップの変化値がΔd1となり、
第2の測定電極21と被測定物27との間のギャップの
変化値がΔd2となる。
【0021】一方、第1の測定電極19および第2の測
定電極21を、被測定物27の回転中心Oに向けて配置
した時には、第1の測定電極19と被測定物27との間
のギャップの変化値がΔD1となり、第2の測定電極2
1と被測定物27との間のギャップの変化値がΔD2と
なる。そして、図5から明らかなように、(Δd1−Δ
d2)>(ΔD1−ΔD2)となる。
【0022】すなわち、被測定物27が横方向に移動し
た場合に、第1の測定電極19および第2の測定電極2
1を、被測定物27の回転中心Oに向けて配置した時に
は、ギャップの変化が、回転中心Oに向けて配置しない
時のギャップの変化より小さく最小になり、静電容量の
変化をより確実に相殺することができる。さらに、上述
した静電容量型変位センサでは、検出部15を、被測定
物27の回転中心Oに対して同心状の円弧形状にしたの
で、この円弧形状を基準面として使用することにより、
被測定物27の回転中心Oに向けて第1の測定電極19
および第2の測定電極21を容易,確実に配置すること
ができる。
【0023】なお、上述した実施形態では、センサ本体
13の検出部15に、第1の測定電極19と第2の測定
電極21とを間隔を置いて配置した例について述べた
が、例えば、図6に示すように、センサ本体13Aの検
出部15Aを球面状に形成し、この検出部15Aに、9
0度の角度を置いて4個の測定電極31を配置すること
により、例えば、球体の真球度等を容易,確実に測定す
ることができる。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように、請求項1の静電容量
型変位センサでは、センサ本体の検出部に、第1の測定
電極と第2の測定電極とを間隔を置いて配置した。従っ
て、例えば、外周が円形状の被測定物が検出部に対して
平行に移動した場合には、間隔を置いて配置される第1
の測定電極と第2の測定電極とにより、静電容量の変化
が相殺され、これにより、被測定物の一方向への変位量
の測定精度を従来より大幅に向上することができる。
【0025】請求項2の静電容量型変位センサでは、第
1の測定電極および第2の測定電極を、被測定物の回転
中心に向けて配置した。従って、例えば、外周が円形状
の被測定物が検出部に対して平行に移動した場合には、
この移動による第1の測定電極と被測定物との間のギャ
ップの変化値と、第2の測定電極と被測定物との間のギ
ャップの変化値との差が最小になる。そのため、間隔を
置いて配置される第1の測定電極と第2の測定電極とに
より、静電容量の変化をより確実に相殺することができ
る。
【0026】請求項3の静電容量型変位センサでは、検
出部を、被測定物の回転中心に対して同心状の円弧形状
にしたので、被測定物の回転中心に向けて第1の測定電
極および第2の測定電極を容易,確実に配置することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の静電容量型変位センサの一実施形態を
示す側面図である。
【図2】図1の静電容量型変位センサを示す正面図であ
る。
【図3】図1において被測定物が検出部に対して平行に
移動した状態を示す説明図である。
【図4】被測定物が検出部に対して平行に移動した場合
にもX軸方向の変位のみを高い精度で測定できる原理を
示す説明図である。
【図5】第1の測定電極および第2の測定電極を被測定
物の回転中心に向けて配置した場合の利点を示す説明図
である。
【図6】本発明の静電容量型変位センサの他の例を示す
説明図である。
【図7】従来の静電容量型変位センサの原理を示す説明
図である。
【図8】従来の静電容量型変位センサによる被測定物の
測定方法を示す説明図である。
【図9】図8において被測定物が検出部に対して平行に
移動した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
11 静電容量型変位センサ 13 センサ本体 15 検出部 19 第1の測定電極 21 第2の測定電極 27 被測定物 O 回転中心

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 センサ本体の検出部に、第1の測定電極
    と第2の測定電極とを間隔を置いて配置してなることを
    特徴とする静電容量型変位センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の静電容量型変位センサに
    おいて、 前記第1の測定電極および第2の測定電極を、被測定物
    の回転中心に向けて配置してなることを特徴とする静電
    容量型変位センサ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の静電容量型変位センサに
    おいて、 前記検出部を、前記被測定物の回転中心に対して同心状
    の円弧形状にしてなることを特徴とする静電容量型変位
    センサ。
JP10029751A 1998-02-12 1998-02-12 静電容量型変位センサ Pending JPH11230704A (ja)

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